李言辰 張利蘋(píng)

摘 要：在整車開(kāi)發(fā)策劃前期，純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能指標(biāo)，是通過(guò)研究競(jìng)品標(biāo)桿車型水平，以及符合政策法規(guī)要求等的前提下，去初步制定出來(lái)具有前瞻性競(jìng)爭(zhēng)力的動(dòng)力參數(shù)指標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)定義的動(dòng)力指標(biāo)，需要選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及傳動(dòng)比以達(dá)到此設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過(guò)搭建動(dòng)力仿真模型，結(jié)合實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能，仿真分析比對(duì)不同產(chǎn)品在整車上搭載后的能力，進(jìn)行對(duì)比，最終作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型的主要理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;仿真分析;驅(qū)動(dòng)電機(jī);選型

Abstract： In the early stage of vehicle development and planning， the dynamic performance indicators of pure electric vehicles are based on the premise of researching the level of competing models and meeting the requirements of policies and regulations to initially formulate forward-looking competitive power parameter indicators. In order to achieve the power index defined by the parameters， it is necessary to select a suitable drive motor and transmission ratio to achieve this design goal. By building a dynamic simulation model and combining the performance of the actual drive motor， the simulation analysis compares the capabilities of different products after they are mounted on the vehicle， and makes a comparison， which ultimately serves as the main theoretical basis for the selection of the drive motor.

前言

我國(guó)對(duì)電動(dòng)汽車的政策支持與傳統(tǒng)汽車研發(fā)與汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家相比存在著較大的差距，但我國(guó)純電動(dòng)汽車的研發(fā)技術(shù)水平主要包括電機(jī)電控水平、電池系統(tǒng)研發(fā)能力、整車控制技術(shù)等方面，與國(guó)外電動(dòng)汽車技術(shù)不分伯仲。因此國(guó)家為了發(fā)展振興國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)，明確新能源汽車補(bǔ)貼政策[1]。

整車廠在進(jìn)行整車研發(fā)過(guò)程中，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)等零部件的選型，在技術(shù)交流過(guò)程中，需要根據(jù)廠家提供和輸入的產(chǎn)品臺(tái)架試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，依照所開(kāi)發(fā)車輛定義性能指標(biāo)參數(shù)，進(jìn)行仿真分析。從而選擇出與設(shè)計(jì)目標(biāo)所匹配或相近的產(chǎn)品，繼續(xù)開(kāi)展后續(xù)研發(fā)工作。在開(kāi)發(fā)前期，通過(guò)Matlab等仿真分析軟件搭建計(jì)算建模，篩選相對(duì)應(yīng)的功能模塊性能[2]。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能參數(shù)在進(jìn)行仿真分析之前，通過(guò)前期開(kāi)發(fā)策劃，明確一些整車的性能參數(shù)定義。通過(guò)整車系統(tǒng)動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性仿真將整車系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，利用汽車?yán)碚撓嚓P(guān)動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性相關(guān)公平衡圖，能夠快速、直觀的確定整車最高車速等性能。

本文從純電動(dòng)汽車整車系統(tǒng)角度出發(fā)，研究驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型，主要通過(guò)以下性能的仿真結(jié)果作為選型依據(jù)：最高車速、最大爬坡度、整車加速時(shí)間、續(xù)航里程[3]。旨在選型出平臺(tái)化的、可靠性強(qiáng)的純電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，保證車輛安全平穩(wěn)的運(yùn)行的前提下，提高車輛的能量利用率，保證商用車輛經(jīng)濟(jì)性[4]。

1 動(dòng)力性仿真分析

1.1 最高車速仿真

最高車速是車輛在路況良好、水平的路面上正常行駛達(dá)到的最高行駛車速，也是汽車在平坦路面無(wú)風(fēng)條件下，行駛阻力和驅(qū)動(dòng)力平衡時(shí)的車速，是汽車動(dòng)力性的三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[5]。

其中，車輪半徑和后橋速比是固定的，因此車速與轉(zhuǎn)速成正比，車速隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加;同時(shí)，車速與空氣阻力成正比，當(dāng)車速增大到驅(qū)動(dòng)力與阻力平衡時(shí)，此時(shí)車輛達(dá)到最高車速。

結(jié)合公式（1）、（2）、（5）、（6），后續(xù)代入整車參數(shù)及電機(jī)電控參數(shù)（其中電機(jī)電控參數(shù)使用峰值條件下的數(shù)據(jù)），可得出整車車速分別與驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力相關(guān)的曲線，隨著車速增加，驅(qū)動(dòng)力逐漸下降，而行駛阻力逐漸增加，利用仿真分析軟件可繪制出驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖進(jìn)行最高車速仿真。

1.2 最大爬坡度仿真

純電動(dòng)汽車爬坡度，是在良好路面上克服的最大爬坡度。爬坡度是以坡腳的正切值，即坡道高度與坡道水平長(zhǎng)度的比值的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。

將公式（1）、（2）、（2）代入到爬坡度計(jì)算公式（7），即可得到整車爬坡車速與爬坡度的關(guān)系，車輛以越高的車速爬坡的時(shí)候，車輛爬坡度越低。利用仿真分析軟件，可繪制出爬坡度曲線圖進(jìn)行最大爬坡度計(jì)算。

1.3 加速時(shí)間仿真

加速時(shí)間即汽車由車速為0km/h加速到某一車速的最短時(shí)間。對(duì)于手動(dòng)擋的車輛，加速時(shí)間表示從第一擋起步，用最大加速度逐步換至高擋后，到某一車速所需的最短時(shí)間。由于該純電動(dòng)商用車車型只有D檔/N檔/R檔，所以前進(jìn)過(guò)程中不存在換擋操作，只要油門踏板踩滿以最大進(jìn)行加速即可[6]。

其中，D為車輛動(dòng)力因數(shù)，是汽車牽引性能的主要指標(biāo)。是剩余牽引力（總牽引力減空氣阻力）和汽車總重之比。此值越大，汽車的加速、爬坡和克服道路阻力的能力越大。

將公式（9）代入（8）中，結(jié)合公式（2）、（4），即可算出車輛加速度與速度之間的關(guān)系，再根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，即可得出整車加速時(shí)間曲線圖，推算出達(dá)到相應(yīng)速度的加速時(shí)間。

2 經(jīng)濟(jì)性仿真——續(xù)航里程

對(duì)于電動(dòng)汽車和燃油車對(duì)比，電動(dòng)汽車目前最大的短板就是續(xù)航里程短且續(xù)航里程補(bǔ)給時(shí)間長(zhǎng)。續(xù)航里程即電動(dòng)汽車在純電模式下依靠電池電量支持行駛的最大里程。

從公式中可以看出來(lái)，續(xù)駛里程與電池總電量、系統(tǒng)效率以及電池放電效率成正比關(guān)系。在電池電量一定的情況下，電機(jī)工作的轉(zhuǎn)速也有著密不可分的關(guān)系?？梢?jiàn)電池電量以及電機(jī)電控系統(tǒng)效率的好壞是決定車輛續(xù)航里程的重要因素。將整車技術(shù)定義中提供的電機(jī)電控系統(tǒng)參數(shù)代入上述公式，結(jié)合公式（1）、（2）、（5），按照電動(dòng)商用車滿載條件計(jì)算，即可得出續(xù)航里程與車速之間在某個(gè)特定車速下可以使續(xù)航里程最大化，但還需要結(jié)合實(shí)際的試驗(yàn)方法進(jìn)行后續(xù)續(xù)航里程摸底試驗(yàn)。

3 實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型案例

整車參數(shù)根據(jù)前期策劃數(shù)值設(shè)定，計(jì)算所需要的公式之前已經(jīng)進(jìn)行過(guò)推導(dǎo)，輸入電機(jī)一、二的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電控參數(shù)。

3.1 最高車速（驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖及功率平衡圖）

在同樣的整車試驗(yàn)條件下，進(jìn)行性能比較。

首先比較兩臺(tái)電機(jī)能達(dá)到的最高車速。根據(jù)電機(jī)及電控的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，結(jié)合計(jì)算公式仿真出平衡圖，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力相等時(shí)的交點(diǎn)為最高車速點(diǎn)。

電機(jī)1的最高車速ua max=71km/h時(shí)，驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力相等。

電機(jī)1在最高車速ua max=71km/h時(shí)，驅(qū)動(dòng)力功率與行駛阻力功率相等。

電機(jī)2的最高車速ua max=101km/h時(shí)，驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力相等。

電機(jī)2在最高車速ua max=101km/h時(shí)，驅(qū)動(dòng)力功率與行駛阻力功率相等。

3.2 爬坡度（爬坡度曲線）

再比較兩臺(tái)電機(jī)能達(dá)到的最大爬坡度。根據(jù)電機(jī)及電控的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，結(jié)合計(jì)算公式仿真出爬坡度曲線圖，在車速升高的情況下，爬坡度逐漸降低。

電機(jī)1在5km/h的速度下，可以達(dá)到的最大爬坡度I max= 29%。

電機(jī)2在8km/h的速度下，可以達(dá)到的最大爬坡度I max= 13%。

3.3 加速時(shí)間（加速度曲線）

接著在同樣的載質(zhì)量m=1100kg的情況下，比較搭載電機(jī)1和電機(jī)2時(shí)車輛達(dá)到50km/h的時(shí)速，所需要的時(shí)間長(zhǎng)短。

電機(jī)1達(dá)到50km/h的速度，所需要的加速時(shí)間ta =15s。

電機(jī)2達(dá)到50km/h的速度，所需要的加速時(shí)間ta =17s。

3.4 續(xù)駛里程（續(xù)駛里程曲線）

電機(jī)1所達(dá)到的續(xù)駛里程 S=131km。

電機(jī)2所達(dá)到的續(xù)駛里程 S=138km。

最后在同樣搭載電量Eb=15.6kWh的電池，放電深度SOC=80%，載質(zhì)量m=930kg，按60km/h等速法去測(cè)試的情況下，比較搭載電機(jī)1和電機(jī)2的車輛的續(xù)駛里程。

4 電機(jī)動(dòng)力性計(jì)算對(duì)比分析

動(dòng)力性方面：驅(qū)動(dòng)電機(jī)2在最大爬坡度上不能滿足設(shè)計(jì)要求;驅(qū)動(dòng)電機(jī)1雖然在爬坡能力上表現(xiàn)優(yōu)異，但最高車速較低。

經(jīng)濟(jì)性方面：噸百公里耗電量（SOC=80%，Eb=15.6kWh，m=930kg），驅(qū)動(dòng)電機(jī)1為10.24度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)2為9.72度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)2結(jié)果更佳。

5 結(jié)論

對(duì)于電機(jī)1，不考慮最高車速的情況下，滿足設(shè)計(jì)要求;對(duì)于電機(jī)2，為滿足爬坡需求，需要采用大傳動(dòng)比車橋滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)模擬仿真分析，得出對(duì)于不同廠家輸入產(chǎn)品在整車性能參數(shù)層面上的分析建議，由相關(guān)工程師對(duì)于結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì)，選擇對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)或者輸入新的產(chǎn)品，繼續(xù)開(kāi)展研發(fā)設(shè)計(jì)工作。對(duì)于減少研發(fā)工作量，以及避免因產(chǎn)品定義不明確，所造成在實(shí)際裝車中出現(xiàn)問(wèn)題，重新進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)變，重復(fù)驗(yàn)證方案對(duì)于研發(fā)經(jīng)費(fèi)的浪費(fèi)和開(kāi)發(fā)周期的延誤有著實(shí)際的意義。

參考文獻(xiàn)

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