牛歡歡，王志海，陳 琳，張 旭，李曉亮

（浙江吉智新能源汽車科技有限公司，浙江 杭州 518034）

20世紀70年代以來的石油危機喚起人類對有限石油資源的關注，電動汽車的研究開發(fā)受到重視。目前，在動力電池和其他技術取得有效突破之前，對電動汽車動力傳動系部件的設計參數(shù)進行研究是提高電動汽車性能的重要手段之一。純電動汽車動力部件的設計匹配，如電動機功率和轉矩、傳動系傳動比之間的合理匹配等，對電動汽車的動力性、經(jīng)濟性、行駛里程等都有顯著的影響。

以某一型號的傳統(tǒng)轎車為例，改裝為純電動轎車，重新設計動力系統(tǒng)參數(shù)，并驗證匹配設計方法是否合理。整車數(shù)據(jù)見表1，三電及減速器性能指標見表2。

表1 整車數(shù)據(jù)

表2 三電及減速器性能指標

1 電池參數(shù)

1.1 電池電量匹配

電池的電量主要由整車續(xù)航里程和電機、電控、電池的效率及能量回饋率等因素來確定。

1.1.1 勻速行駛里程的電池電量需求

在水平路面勻速行駛的電池電量平衡方程如下：

式中：S1——車輛續(xù)航里程，km；η1、η2、η3——傳動系統(tǒng)效率、電機控制器系統(tǒng)效率、電池的放電效率，取估算值η1=92%，η2=88%，η3=100%；P0——整車附件耗電量，kW。

根據(jù)式 （1），按標準m取半載質量，令V=60，80 km／h，可得到電池電量與續(xù)航里程的關系擬合曲線，見圖1。

1.1.2 NEDC下的電池電量需求

因xxx項目設計最高車速為120 km／h，因此這里計算需考慮典型城市工況及城郊工況。根據(jù)加速過程中行駛方程，可以推到一個勻加速工況下電機所做的功：

圖1 電池電量與續(xù)航里程的關系擬合曲線

圖2 NEDC工況不同回饋率下續(xù)航與電池電量的關系擬合曲線

式中：a——加速度，m／s2；V0——初始車速，m／s；V——勻速行駛車速，m／s。

于是得到NEDC工況下續(xù)航里程S2與電池電量的關系式：

式中：t0——一個工況循環(huán)車輛運行時間，s；S0——一個工況循環(huán)車輛運行距離，km；η1——機械傳遞效率；η2——電機電控系統(tǒng)平均工況效率；η3——電池的充電效率；η4——制動能量回饋率，%。

將整車相關技術參數(shù)代入式 （3），（4），依據(jù)標準，由一個NEDC循環(huán)車輛運行時間t0=900 s（不含停車時間）估值低壓附件功率P0=0.2 kW，電機電控系統(tǒng)平均工況效率估值η2=88%，放電效率η4=100%，在無制動回饋的條件下，一個NEDC工況電池的輸出電量為：

對于減速工況，可以推到一個勻減速工況下電池可以回收的能量如下：

將整車相關技術參數(shù)代入式 （5），根據(jù)NEDC工況要求，電池能量回饋率=W回饋／W功=13.8%。

由NEDC工況標準得知一個NEDC循環(huán)車輛理論行駛距離S0=11.023 km，在制動能量回饋為η4的條件下，電池電量與續(xù)航里程的關系式：

式中：S2——NEDC工況下續(xù)航里程，km；η4——制動能量回收率，%。

由式 （5）得到NEDC工況下，車型電池電量與續(xù)航里程及能量回收率的關系擬合曲線，見圖2。

由圖2可查到要滿足NEDC工況整車續(xù)航里程250 km的要求，動能量回饋率，電池電量在36.99～40.11 kWh之間，考慮到百公里電耗要求，按能量回饋率8%估值，確定電池電量：W2=37 kWh。

根據(jù)新能源汽車推廣補貼方案及產品技術要求，新能源乘用車技術要求規(guī)定：當車輛1000＜m≤1600 kg時，Y≤0.0108×m+2.25；那么Y=0.0108×1167+2.25=14.9，百公里電耗=（W2／S／η充）×100=（35／251／0.95）×100=14.7≤Y，滿足要求 （設充電機效率：≥95%）。

1.1.3 整車電量確定

由1.1.1、1.1.2計算結果，可以初步確定滿足整車續(xù)航條件的電池電量：W=Max（W1，W2）=37 kWh。

1.2 電池功率及放電倍率匹配

1.2.1 電池功率匹配

電池功率參數(shù)主要由電機及整車附件的功率和決定，影響因素主要為：電機電控系統(tǒng)的效率、電池的放電效率及滿功率輸出要求的電池SOC值。

1）電池的持續(xù)及峰值放電功率的計算由電池的放電功率平衡方程：

式中：Pm——電機的輸出功率，kW；PV——整車附件功率，為高壓附件DC-DC，空調或暖風等輸入功率之和；η2——電機電控的系統(tǒng)效率，計算按估值88%；η3——電池放電效率，計算值取100%。

由整車提供的DC-DC、空調壓縮機、PTC的功率參數(shù)可知PV=1.2+1.3=2.5 kW，設電池峰值放電倍率為2，可得到電池的峰值放電功率：Pbdcmax=35×2=70 kW。如果設定電池峰值放電倍率2來考慮，那么：（Pm1max／η2+2.5）／η3=35×2，Pm1max=59.4 kW。

設電池持續(xù)放電倍率為1，持續(xù)放電功率：Pbdc=35×1=35 kW。

如果設定電池持續(xù)放電倍率為1來考慮，那么：（Pm額／η2+2.5）／η3=35，Pm額=28.6 kW。

2）電池的脈沖峰值饋電功率估算

由電機的饋電功率及效率、制動過程舒適性要求、制動法規(guī)要求等因素確定。因僅考慮到電池饋電功率的極值，地面附著系數(shù)取最大值ε=0.8。由此得到前輪最大制動力：

式中：β——前后輪制動力分配系數(shù)，由整車提供為β=2.49（估值）。M取半載質量1347 kg，可得到：Ffmax=7534.6 Nm。此時的電機的最大制動力矩需求為：

由水平路面車輛行駛方程Ft=Ff+Fj+Fw，可得到恒制動力矩下瞬間制動減速度與電機扭矩及轉速的關系式：

m取半載質量1347 kg。

式 （9）中代入整車設計相關參數(shù)，可得到制動減速度與電機的扭矩及轉速的關系式 （速比為7.3:1）：a=0.017Tm+0.13+0.000023×V2（m／s2），即：Tm=58.8a-7.7-0.0014×V2（Nm）。

由回饋車速不小于15 km／h，即轉速n不小于1016 r／min，可得到最大電機扭矩與制動減速度的關系式 （速比7.3:1）：

由標準IS02631提出減速度a≥2.5 m／s2會造成乘客不適，由此取amax=2.5 m／s2得到電機最大的制動力矩：

由式 （8），式 （11）可得到制動回饋過程中，考慮舒適性，電機的最大制動扭矩：

電機的饋電峰值功率為電機的峰值發(fā)電功率50 kW （估算值），取電機的發(fā)電效率最大值0.92，控制器的峰值效率0.97，可得到電池的峰值饋電功率：Pbfmax=50×0.92×0.97≈45 kW。

3）峰值饋電時間的估算

峰值饋電時間由恒制動扭矩減速時間t1及恒功率減速時間t2及扭矩響應時間t0組成。由V=V0-at，車輛的最高車速120 km／h，a取2.5 m／s2，得到在恒制動扭矩區(qū)內最長減速時間：t1=V／a／3.6=13.3（s）。

扭矩響應時間t0取估值0.5 s，于是得到峰值饋電功率下，最長的饋電時間：Tf≥t0+t1=13.8（s）。

1.2.2 電池放電倍率的匹配 （表3）

表3 電池放電倍率的匹配

2 電機參數(shù)匹配計算

主要包括電機峰值轉矩、功率及最高轉速的匹配。

2.1 電機峰值扭矩與減速比關系確定

2.1.1 路面附著允許的電機最大輸出扭矩

該車型為前輪驅動，由整車提供的前軸軸荷為mf=645 kg，附著系數(shù)取瀝青、水泥路面附著系數(shù)經(jīng)驗值ε=0.8。

水平路面電機最大允許輸出扭矩：

最大爬坡度a=30%最大允許輸出扭矩：

2.1.2 滿足最大爬坡度的電機峰值扭矩

根據(jù)車輛在爬坡過程中的汽車行駛方程：Ft=Ff+Fi+Fw，可得到電機輸出扭矩關系式：

根據(jù)整車提供的設計參數(shù)，根據(jù)式 （14）可計算得到電機最大需求扭矩Tm2max與電機轉速、減速器速比及爬坡度間的關系式：

取i=7.3時，通過賦值爬坡度，由式 （15）可得在爬坡車速為10 km／h，15 km／h，30 km／h變化條件下，車速對電機爬坡扭矩的影響率擬合曲線見圖3。

圖3 車速對電機爬坡扭矩的影響率擬合曲線

對圖3數(shù)據(jù)分析并結合式（15），并考慮到實際應用中最大爬坡度車速及減速比范圍、風阻對峰值扭矩的影響，因此式 （15） 可簡化為 （但實際計算扭矩還按照公式 （15））：

將整車設計要求最大爬坡度a=30%、爬行車速代入式（15）中，可得到滿足爬坡度a=30%的電機峰值扭矩需求與減速器速比的關系式：

2.2 電機最高轉速的匹配

2.2.1 減速器減速比的確定

由電機轉速n與車速v的關系式v=0.377×n×r×i-1（km／h），整車設計最高車速Vmax=120 km／h，計算得到：

由式 （17），式 （18），獲得最高轉速與最大輸出扭矩與減速器速比間關系擬合曲線，見圖4。

2.2.2 電機最高轉速

根據(jù)電機最高轉速與減速器減速比的關系式，可得到滿足車輛最高車速120 km／h的電機的取整最高轉速：

考慮到車輛運行中的輪胎滑移，電機控制器轉速控制精度偏差范圍，確定電機最高轉速：Nmax=8500 r／min。

2.3 電機峰值扭矩的匹配

將減速器i=7.3，代入式 （18），可計算得到電機的取整峰值扭矩：Tmmax=183 Nm。

考慮到控制的扭矩控制精度，車輛整備質量的偏差以及坡道啟動等影響因素，確定電機的最高扭矩為：Tmmax=200 Nm。

圖4 不同速比下轉速與扭矩的擬合曲線

圖5 加速時間t1、t2與峰值功率關系擬合曲線

圖6 峰值扭矩與0-100 km／h加速時間擬合曲線

2.4 電機峰值功率匹配

2.4.1 滿足加速性能要求的匹配

電機峰值功率主要決定整車的加速性能設計要求。

由于電機的低速恒扭矩、高速恒功率輸出的特性，先計算電機基速與電機峰值功率Pm1max間關系。

全油門加速過程的電機基速轉速：

式中：Pm1max——電機峰值輸出功率，kW。

根據(jù)式 （20）及Tmmax，I的值及車速與電機轉速關系式V=0.377×n×r／i，可計算得到該車的基速關系方程：

整車最短加速時間:

式中：t0——電機峰值扭矩響應時間，s；t1——恒扭矩區(qū)加速時間，s；t2——恒功率區(qū)加速時間，s。

根據(jù)整車提供的相關參數(shù)，整車質量取半載質量，同樣忽略電機轉速對最大扭矩的影響，由汽車行駛方程式Ft=Ff+Fw+Fi+Fj推導出在恒扭矩區(qū)加速時間t1與峰值功率關系方程式：

同時，可確定恒功率區(qū)加速時間t與峰值功率、車速的關系方程式：

式中：V——整車設計最高車速，km／h；δ——旋轉質量換算系數(shù)，δ≈1.05；Pmax——電機的峰值功率。

由于電機峰值扭矩響應時間t0一般設計要求值小于0.5 s，取計算值t0=0.5 s。

由式 （23），式 （24）通過峰值功率賦值后，運用積分等計算可得到在不同功率下的恒扭矩加速時間t1及恒功率加速時間t2關系擬合曲線，見圖5。

由式 （21）可得到在不同電機峰值功率下與整車0-100 km／h加速時間t關系擬合曲線，見圖6。

由圖6可知，按整車0-100 km／h加速時間≤18 s的設計要求，電機峰值功率選取的范圍在50 kW左右?？紤]到車輪實際運行中的阻滯及整車的經(jīng)濟性，為滿足整車加速性能要求，確定初步選取電機功率為：Pm2max=50 kW。

2.4.2 滿足市區(qū)循環(huán)工況的電機峰值功率匹配

在NEDC工況中，由于電機的額定功率均可滿足整車的勻速工況要求，而且加速時間短，考慮到經(jīng)濟性，故僅在匹配電機峰值功率時考慮整車NEDC的加速工況。

由加速工況下，電機最大輸出功率Pm2為車輛加速末電機勻速功率P1與電機加速功率P2之和。

式中：V末——加速過程中末速度，km／h。

根據(jù)整車提供的參數(shù)，計算滿足NEDC工況下電機最大峰值功率：Pm3max=35.59 kW。

綜合1.2.1、2.4.1與2.4.2確定電機的峰值功率Pmmax=Max（Pm1max，Pm2max，Pm3max）=50 kW。

2.5 電機峰值轉速與額定功率匹配

2.5.1 電機的額定轉速由整車的經(jīng)濟車速來確定

由電機的轉速n（r／min） 與整車的車速V （km／h） 的關系式：V=0.377×n×r／i／0.95。

將車輪滾動半徑r=0.286m，減速器速比i=7.3，整車設計經(jīng)濟車速V=60 km／h代入上式，計算得到電機額定轉速：ne=4062 r／min，取整，選取電機的額定轉速為：ne=4100 r／min。

2.5.2 電機額定功率的匹配

電機的額定功率由車輛設計最高車速Vmax（30 min最高車速，單位km／h）和一定車速下持續(xù)爬坡車速確定。

由汽車的功率平衡方程可得到電機額定輸出功率Pe（kW）：

將a=0%，及整車相關設計參數(shù)代入式 （27），其中m取滿載質量，賦值車速，可得到電機輸出額定功率與最高車速間的關系擬合曲線，見圖7。

圖7 電機輸出功率與車速關系擬合曲線1

同樣，將整車設計爬坡度a=4%，其中m取滿載質量，代入式 （27），可得到爬坡度為4%時，電機輸出額定功率與最高車速間的關系擬合曲線，見圖8。

圖8 電機輸出功率與車速關系擬合曲線2

同樣，將整車設計爬坡度a=12%，其中m取滿載質量，代入式 （27），可得到爬坡度為12%時，電機輸出額定功率與最高車速間的關系擬合曲線，見圖9。

圖9 電機輸出功率與車速關系擬合曲線3

將整車設計爬坡度a=30%，其中m取滿載質量，代入式（27），可得到爬坡度為30%時，電機輸出額定功率與最高車速間的關系擬合曲線，見圖10。

由圖7可知，水平路面車輛勻速行駛最高車速120 km／h時，電機需要的輸出功率：Pe1=23.05 kW。

由圖8可知，爬坡度為4%路面車輛勻速行駛最高車速60 km／h時，電機需要的輸出功率：Pe2=15.93 kW。

由圖9可知，爬坡度為12%路面車輛勻速行駛最高車速30 km／h時，電機需要的輸出功率：Pe3=17.51 kW。

由圖10可知，爬坡度為30%路面車輛勻速行駛最高車速15 km／h時，電機需要的輸出功率：Pe4=20.03 kW。

根據(jù)整車的設計要求，計算電機的額定功率：Pe=Max（Pe1，Pe2，Pe3） =23.05 kW。

最后選擇，為滿足整車的設計要求，電機的額定功率取值為：Pe=25 kW。

同理：根據(jù)1.2.1推理，如果電池包輸出電量是37 kWh（考慮放電效率），那么額定功率的放電倍率為：①（25／0.88+2.5）／37=0.84≈0.8 （考慮夏季雨夜）；② （25／0.88+0.2）／35=0.82≈0.8（考慮試驗狀態(tài)）。

圖10 電機輸出功率與車速關系擬合曲線4

3 總結

針對設定的動力性指標和現(xiàn)有資源，電機、電池等總成參數(shù)匹配計算及總成結果見表4。

表4 電動車總成參數(shù)匹配計算及總成選型結果