純電動汽車驅動電機選型研究

摘要：驅動電機作為純電動汽車的關鍵參數，影響車輛的動力性和經濟性。研發新車型時，以達成性能要求為目標，對驅動電機進行選型匹配工作。文章依據提供的物理參數和性能目標要求，展開了所需電機參數的理論計算；并基于仿真軟件建立高精度基礎仿真模型，進行了電機選型匹配計算。經過理論計算、仿真結果的分析對比，選配出了合適的電機，以確保新車型達到預期的性能目標。文章針對新車型的電機選型匹配問題，提供了方法和流程參考。

關鍵詞：動力性；經濟性；電機選型

中圖分類號：U462.3" 文獻標志碼：A

0 引言

評估純電動汽車的性能時，整車動力性和續航里程是兩項關鍵指標。電機主要影響車輛的動力性，直接決定車輛加速、爬坡能力表現。而電池電量是決定續航里程的核心要素，但是電機的效率區間與續航里程之間也存在關聯［1］。消費者對汽車動力性駕駛感覺要求越來越高，同時對長續航低能耗的要求也是日益增長，因此在研發新車型時，主機廠要對電機、電池等部件開展選型匹配工作。

以往的電動汽車在項目開發初期，電機部件的選型由研發工程師根據經驗匹配，主要依據現有的供應商可提供的產品、參考市場上競品車型的基本參數而定，在新車開發完成后再進行測試是否達成性能目標。這種匹配方式有時會造成工作的返工?；谛萝囆偷奈锢韰岛托阅芤?，可以通過理論計算和軟件仿真計算完成電機選型匹配工作。

本文以某款純電動乘用車為例，利用Simulink軟件建立高精度的仿真模型，在此基礎上針對新開發的車型開展不同電機方案的匹配計算，以達成性能要求為目標，完成電機選型工作。

1 驅動電機對整車性能的影響

決定電動汽車性能表現的核心部件之一是驅動電機，它負責電能和動能之間的相互轉化，既能驅動車輛行駛，又能在減速時回收能量存儲至電池。

驅動電機是影響汽車動力性、經濟性及駕駛主觀感受的核心因素，其功率大小直接決定了車輛的加速表現、最高速度與爬坡性能等關鍵動力性指標。功率越大的電機，車輛能夠輸出的轉矩也就越大，理論上能夠推動車輛達到更高的速度，這直接影響到車輛的加速性能。高功率的驅動電機能夠使車輛在起步和加速時表現出更快的響應和更強勁的動力輸出，提升駕駛體驗。對于電動汽車，續航能力和能源消耗率是衡量經濟性的關鍵指標，直接受到電池容量與動力系統匹配程度的影響［2］。優化電機效率不僅可降低每百公里的電量消耗，提升能源的使用效率，還可延長車輛的續航里程，從而提高經濟性。此外，驅動電機的設計與制造質量也是影響駕乘感受的重要因素，高質量的電機系統能夠有效降低噪聲、干擾與振動，進一步提升乘坐舒適性。

2 電機參數理論計算

電動汽車的動力與續航表現，與電機功率、轉矩及轉速等核心參數密切關聯［3］。汽車全油門工況時，驅動電機的最大能力為外特性曲線，體現出峰值轉矩、峰值功率、最高轉速的關系（見圖1）。

2.1 功率

2.1.1 額定功率

電機正常長時間穩定工作時的最大功率為額定功率，主要影響最高穩定車速和最高穩態爬坡度。額定功率一般在峰值功率的50%左右。

長時間穩定行駛時，車輛的驅動功率與阻力功率處于相互抵消的狀態，即：

Pt=Pf+Pw+Pi+Pj（1）

車速保持最高并且可以持續行駛30 min，坡道和加速阻力可以忽略不計［4］。此時，對應的電機額定功率Pe滿足下式：

Pe1=umax3600ηT（mgf+CDAu2max21.15）（2）

車輛在坡道上穩定行駛時（試驗測試時，一般在測功機上增加相當于4%、12%坡度的負荷，來測試穩定行駛的車速），電機的額定功率要能滿足固定坡道行駛時的穩定車速，依據下式來計算：

Pe2=ui3600ηT（mgfcosα+CDAu2i21.15+mgsinα） "" （3）

額定功率Pe理論上高于兩個額定功率的最大值：

Pe≥max［Pe1，Pe2］（4）

2.1.2 峰值功率

峰值功率指的電機瞬時產生動力的大小，決定的是車輛的加速性能。對于乘用車而言，峰值功率只能持續10～30 s，可判斷峰值功率影響車輛原地起步全油門百公里加速性能。

計算峰值功率的方法類似于額定功率。在計算峰值功率時，公式（2）、公式（3）中的穩定最高車速替換為短距離內的最高穩定車速。

2.2 轉矩

2.2.1 額定轉矩

電動機的額定轉矩Te是指在持續穩定散熱條件下，電動機能夠長時間輸出轉矩。電機的額定轉矩數值，根據額定功率和額定轉速來求解［5］。通常，永磁同步電機的額定轉矩是峰值轉矩的50%～75%。

Te=9550PenN（5）

2.2.2 峰值轉矩

依據整車的物理參數確定峰值轉矩時，應兼顧汽車爬坡及起步加速性能。峰值轉矩求解時，需考慮傳動比，按下式計算：

Tmax≥1ηT×（mgfcosα+mgfsinα）ri總（6）

2.3 轉速

電機轉速受車速、總傳動比、輪胎半徑等因素影響，其數值計算按公式（7）計算：

nmax=umaxi總0.377r（7）

額定轉速是指電機最大轉矩輸出時能達到的最高轉速，與運行時間無關。

nN=nmaxβ（8）

式中，β為擴大恒功率區系數。其中安全系數介于1和某個上限值之間，由電機的設計、制造條件決定。

公式（1）～公式（8）涉及的參數，其符號釋義如表1所示。

新開發車型，在定義了整車基本參數、預期的性能目標之后，可利用上述公式計算出對電機關鍵參數的約束，完成對電機選型的初步篩選。

3 基礎車型仿真

3.1 標定基準模型

在現有乘用車基礎上，針對前驅純電動車型開展動力與經濟性的實地測試，并對所得數據進行深入分析。借助Simulink仿真軟件，采用模塊化設計方法構建了整車的基礎仿真模型，并輸入與試驗約束邊界相匹配的物理參數。車輛的基本參數如表2所示。

將仿真結果與試驗結果進行數據對比，主要對比結果見表3，其中續航里程為新歐洲駕駛循環工況（New European Driving Cycle，NEDC）。

標定后模型的性能指標誤差范圍≤3%，數據對比判斷模型精度良好，為新開發的車型樹立了動力性和經濟性的仿真基準。

3.2 過程結果展示

標定基礎仿真模型時，除了關注仿真的數值，還需要對比仿真與試驗的過程曲線。百公里加速的過程曲線對比如圖2所示，前兩個周期的續航里程過程對比如圖3所示。

由圖2可知，試驗和仿真過程中的百公里加速過程曲線，電機轉速、電機轉矩、整車加速度趨勢吻合良好。由圖3可知，續航里程過程曲線、SOC下降的過程一致，說明電機在驅動和制動回收工況時能量的利用狀態一致性趨勢良好。結合圖2、圖3、表3的結果，標定的仿真模型可為后續車型的動力總成匹配、三電部件選型等提供高精度的基準。

4 電機選型匹配案例

某款新開發的純電動乘用車，與基礎車型驅動方式相同，初步定義了整備質量、電池電量以及3項性能目標。在電池電量固定（240 A·h）的前提下，擬在3種類型的電機中進行選擇匹配。其中3種型號電機的峰值轉矩/峰值功率排序為方案1＜方案2＜方案3。

基于公式（1）～公式（8），進行電機參數的理論計算，3款電機的轉矩/功率均高于理論計算的限值，不能篩除不符合要求電機。除理論計算外，在實際項目開發中，對電機的選型，需在仿真軟件中開展3款電機的仿真計算，計算出整車動力性和經濟性結果（見表4）。

由表4計算結果知，續航里程主要受電池電量影響，3款電機效率的不同造成了續航里程的微差異，但均滿足續航里程目標。搭載3款電機的整車動力性表現差異明顯，電機的功率越高，加速性能表現越好，方案3滿足加速性能目標要求。綜合對比3種方案的結果，只有方案3能同時滿足動力性經濟性目標。

5 結論

（1）通過在成熟車型上構建高精度仿真模型，并確保仿真約束與實際試驗相吻合，為新車型的初期動力經濟性仿真分析提供了堅實的基礎。

（2）在電機選型過程中，借助Simulink軟件靈活調整單個部件參數，通過對整車性能的精確分析，為電機選型決策提供了有力支持，有效縮減了項目的研發時間。

（3）電機選型的研究工作，結合了理論與仿真計算，不僅為同類車型開發提供參考，也具備較強的推廣價值。

參考文獻

［1］畢善汕.純電動汽車兩擋AMT換擋策略研究［D］.鎮江：江蘇大學，2020.

［2］姚起宏，黃亮昌，王鵬，等.基于層次分析法的電動乘用車動力性和經濟性分析［J］.汽車實用技術，2021（10）：1-7.

［3］余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業出版社，2018.

［4］吳浩.基于Cruise的純電動客車動力系統匹配［J］.北京汽車，2017（3）：1-5.

［5］金輝輝.純電動汽車電機選型匹配計算［J］.江西化工，2019（3）：99-100.

（編輯 李春燕）

Research on the selection of drive motors for pure electric vehicles

LI" Min1， ZU" Ran1， PANG" Jing2

（1.Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering， Wuhu 241000， China;2.BYD Automobile Co.， Ltd.， Xi’an 710000， China）

Abstract：" As a key parameter of pure electric vehicles， the drive motor affects the vehicle’s power and economy. When developing a new model， the selection and matching of the drive motor is carried out with the goal of achieving performance requirements. Based on the provided physical parameters and performance target requirements， theoretical calculations of the required motor parameters are carried out. Based on the simulation software， a high-precision basic simulation model is established， and on this basis， the motor selection and matching calculations are carried out. Through theoretical calculations and analysis and comparison of simulation results， suitable motors are selected to ensure that the new model achieves the expected performance targets. This article provides a method and process reference for the selection and matching of motors for new models.

Key words： power performance; economy; motor selection

基金項目：安徽省教育廳科學研究項目，項目編號：2023AH052700、2023AH052696、2022AH052362。

作者簡介：李敏（1982—），女，高級工程師，碩士；研究方向：整車動力經濟性和能量管理。