電動汽車動力系數參數匹配設計的案例
純電動物流車動力系數參數匹配設計
電動汽車對降低環(huán)境污染與節(jié)省燃料方面有至關重要的作用。隨著電子商務的迅速發(fā)展，物流車在交通運輸中的占比日益增大，因此純電動物流車引起了較多學者的關注。
本文主要基于純電動物流車的動力性，對電機、變速器、電池的主要參數進行匹配。結合工程實際，引入了安全系數，為純電動物流車的動力系統(tǒng)參數匹配提供了一種有效的方法。
2 純電動物流車結構分析
純電動物流車的動力傳動部分主要基于傳統(tǒng)車的底盤平臺開發(fā)所建，其核心是將蓄電池和電動機相結合作為動力源來代替了發(fā)動機。這樣純電動物流車以蓄電池和充電系統(tǒng)作為能源系統(tǒng)，變速器和電動機作為驅動系統(tǒng)，構成了純電動汽車動力傳動的核心部分，簡化了汽車的傳動系統(tǒng)與動力傳動路線。本文以某款純電動物流車開發(fā)為例，其整車基本參數如表1[6]，所設計的整車性能參數如表2。
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表6 動力電池參數匹配表
4 結束語
本文基于純電動物流車的組成部分，對電機、變速器、電池的參數進行了匹配。從動力性的角度分析了所確定參數應該滿足的取值范圍，將工程余量引入到參數匹配中，確定了相應的安全系數，使所設計的參數不僅滿足車輛動力性的理論需要，更能符合工程實際，為純電動物流車的動力系統(tǒng)參數匹配提供了一種有效的方法。
純電動物流車動力系數參數匹配設計
2 純電動物流車結構分析
純電動物流車的動力傳動部分主要基于傳統(tǒng)車的底盤平臺開發(fā)所建，其核心是將蓄電池和電動機相結合作為動力源來代替了發(fā)動機。這樣純電動物流車以蓄電池和充電系統(tǒng)作為能源系統(tǒng)，變速器和電動機作為驅動系統(tǒng)，構成了純電動汽車動力傳動的核心部分，簡化了汽車的傳動系統(tǒng)與動力傳動路線。本文以某款純電動物流車開發(fā)為例，其整車基本參數如表1[6]，所設計的整車性能參數如表2。根據動力性能指標結合工程實際，來確定驅動電機、傳動系統(tǒng)傳動比、動力電池的參數，從而提供一種可用于工程實際的有效設計方法。
展開 電動汽車電驅動系統(tǒng)動力性匹配設計
電動汽車動力特性通常由加速性、爬坡能力、最高車速等性能來評價。驅動電機性能參數設計成為滿足整車動力性能首要考慮的問題，而所有驅動電機的這些性能參數都取決于電驅動電機轉速-轉矩 （功率）特性。本文以某款純電動物流車進行研究，對其驅動系統(tǒng)匹配選型與驗證。
基于動力性的純電動汽車電機參數匹配-最高車速性能需求計算 ￥6
基于動力性需求的，采用MATLAB2019b版本的APP Designer編寫的最高車速性能需求電機參數匹配計算小程序，程序界面如下：以某款上市的4.5T純電動物流輕卡參數為例，進行電機的參數匹配計算；可以修改正常及最高車速需求參數，點擊計算按鈕后，即可完成電機的參數計算。
附件是開源可編輯源程序文件。
基于動力性指標的純電動汽車電機參數設計
最大爬坡度則通常取5km/h與50km/h兩個車速點，前者設計汽車坡道起步能力，后者設計汽車行駛過程穩(wěn)定爬坡能力。
本文中傳動系統(tǒng)傳動比iGB舉例為常數。目前來看，純電動汽車的減速器均以單速比為主。多速比情況該值視為與車速相關的函數。
在本模型中，需要知道的參數如表2所示。其中，電機自身特性的參數有：r30min， r5min， rmax， λn0；其余為車輛及傳動系統(tǒng)參數。在初步設計中，汽車的空氣阻力系數估算為：0.3～0.6，對于轎車默認取值為0.33，對于SUV或MAP外形的車默認為0.37，對于箱式物流車默認為0.45，則二次項系數為：
式中，Cw為汽車空氣阻力系數，S為汽車迎風面積，在初步設計時，迎風面積取值根據如下經驗公式：
表2 已定汽車和動力總成部分參數
式中W為車身寬度，H為車身高度。
汽車的一次項阻力系數通常取1～3.5之間。其物理意義對應于汽車傳動系統(tǒng)的軸承、齒輪嚙合損耗，與汽車整備質量約為正比，初步設計時估算為：
若使用傳動系統(tǒng)平均效率取值不為100%時，則該參數默認為0，若傳動系統(tǒng)平均效率取值為100%，則以上經驗公式系數有效。
汽車的常數項系數與汽車的滾動阻力系數有關，計算公式如下：
式中，f0為汽車滾動阻力系數，與路面及車輪胎壓等因素有關，通常取值為0.01～0.02，在初步設計中，通常取值為0.012.為標準載荷，在空載與滿載設計時，則替換該參數，下同。
對于設計時汽車的標準載荷，是汽車的整備質量與附加質量的和。對于附加質量，舊國標與新國標《GBT 18386-2017 電動汽車 能量消耗率和續(xù)駛里程 試驗方法》有微小的差異，詳見標準 [7]。新國標于2017年10月14日發(fā)布，于2018年5月1日起實行。對于最大設計質量≤3.5t的乘用汽車，附加質量為100kg。
展開 基于動力性指標的純電動汽車電機參數設計
5 設計實例
通過最高車速、加速性能、爬坡性能三類指標的設計，可以看出電機的最大轉速僅與汽車最高設計速度有關，而電機峰值功率則與各指標均相關。因此對于電機功率設計是冗余設計，取滿足最苛刻指標的功率。
重新依據公式（1）～（12）逆向計算出真實指標與目標指標的偏差，作為指標達成度。達成度越大的指標說明初始指標定義過高；達成度越小的指標為100%，說明該指標是當前定義的所有指標中動力系統(tǒng)最難以達成的指標。
5.1 已知參數
純電動汽車設計階段，首先根據市場調研結果對車身參數與動力性指標進行初步定義。表1所示舉例為某車型的市場調研階段定義的動力性能指標，表2所示舉例為該車型整車及動力總成已知參數。基于以上公式在MATLAB中編制設計程序，設計結果如下。
5.2 設計結果
經過設計，被測電機的最高轉速為8900rpm，峰值功率為57kW，峰值扭力為155Nm。設計MAP如圖2所示。空載，標準載荷，滿載的動力性參數對比如表3所示：
圖2 電機MAP及其外特性設計結果
6 結論
電動汽車動力性指標與驅動電機參數的關系研究具有冗余設計的特點。將設計指標定義全面，各指標設計求算更合理，才能獲得更高精度的設計結果。本文總結了電動汽車的加速性能指標、爬坡性能指標、最高車速指標，并研究了各類指標的設計方法。實踐證明，該方法有效可靠，應用于電機選型設計階段。當電機選型確定并在市場上找到對應的電機供應商以后，為下一步汽車動力性經濟性仿真開發(fā)工作提供更精確的電機參數。
表3 設計結果
展開 純電動汽車傳動系統(tǒng)參數匹配及優(yōu)化
著國家對新能源汽車企業(yè)的鼓勵與支持，一大批新造車勢力如雨后春筍，傳統(tǒng)汽車企業(yè)也在逐步向新能源汽車過渡。電動汽車具有勝過傳統(tǒng)內燃機車輛的許多優(yōu)點，例如行駛過程零排放、高效率、低噪聲。在能源危機及環(huán)保問題日益突出的局面下，推行交通工具向新能源轉型勢在必行。在電池效率問題得到有效解決之前，如何合理地選擇這些部件及有關參數，使部件匹配達到最優(yōu)。在相同蓄電池條件下，使車輛更好地滿足動力性和經濟性的需求，一直是行業(yè)研究的重點目標。
本文在完成2檔AMT純電動汽車傳動系統(tǒng)參數初步匹配的基礎上，利用人群搜索算法，以改善動力性和提高整車續(xù)駛里程為目標，對減速器速比進行了優(yōu)化，并結合AVL Cruise軟件對減速器速比優(yōu)化結果進行仿真分析，對比優(yōu)化前后仿真結果，實現電動汽車動力性和經濟性的有效提高。
1 整車參數及性能目標
某電動車型的主要技術參數及性能要求指標如表1和表2所示。
表1 整車參數
表2 性能要求指標
2 動力系統(tǒng)參數匹配
2.1 驅動電機的參數匹配
2.1.1驅動電機的功率
本文采用的是永磁同步電機，驅動電機的峰值功率應同時滿足所設計的最高車速、最大爬坡度、加速性能要求。
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
上式中：vmax為最高車速；m為整車裝備質量；A為迎風面積；CD為風阻系數；αmax為最大爬坡度；f為滾動阻力系數；vi為最大爬坡度時的車速，vi=20km/h；vj為汽車在NEDC工況中從100km/h加速到120km/h時的末速度，vj=120km/h；Pe為驅動電機的額定功率；λ為電機的過載系數，取2。
展開 純電動汽車電控系統(tǒng)參數匹配
導讀：
為了提高純電動汽車的動力性設計指標，研究了純電動汽車電控參數在設計過程中，電機系統(tǒng)和電池系統(tǒng)參數匹配選擇的基本原則和整車控制策略，并利用ADVISOR軟件對所匹配出的動力參數進行仿真優(yōu)化驗證，最終使"電池+電機+電控"三電系統(tǒng)集成達到最優(yōu)狀態(tài)，從而提高了電動汽車的動力性能。同時也為純電動汽車設計初期的動力參數選型匹配提供了基本數據。
近年來，隨著大氣污染的日益嚴重、全球石油資源供應緊張及環(huán)保意識的增強，傳統(tǒng)的燃油汽車面臨著巨大的挑戰(zhàn)，純電動汽車越來越受到人們的青睞。實現電動汽車替代傳統(tǒng)汽車的關鍵是純電動汽車的整車動力性是否滿足人們的需要。解決整車動力性能的關鍵因素在于如何實現電池質量小且儲存能量大、提高電機的性價比及優(yōu)化電驅動控制策略。通過選擇動力系統(tǒng)參數，使得電機、電池及電控更好地集成到一起，是現階段提高純電動汽車整車動力性的重要方法之一。文章通過研究匹配電機、電池參數及整車控制器參數的基本原則，為純電動汽車初期設計動力匹配提供了理論依據及基礎數據，對新產品的開發(fā)提供了指導作用，大大縮短了開發(fā)周期。
1 純電動汽車整車動力系統(tǒng)設計流程和需求
純電動汽車動力系統(tǒng)由整車控制器、電機控制器、永磁同步電機、電池管理系統(tǒng)及動力電池等構成，整車動力系統(tǒng)的基本架構，如圖1所示。純電動汽車動力系統(tǒng)開發(fā)過程可采用“V”模式，如圖2所示。定義好各個環(huán)節(jié)的功能需求，按照開發(fā)流程進行新產品的動力系統(tǒng)開發(fā)，文章針對具有單速比和永磁同步電機的純電動汽車的參數匹配展開研究。
展開 純電動汽車動力匹配及仿真計算
汽車行駛方程為：
其中，汽車總質量m=1825kg，車輪半徑r=0.33m，風阻系數Cd=0.35，滾動阻力系數f=0.014，旋轉質量轉換系數δ=1.29，迎風面積A=2.7 m2，重力加速度g=9.8，傳動比i=7.8，電機效率η d=0.95，機械傳動效率ηc=0.98。
一般來說，電動汽車整車動力性指標中，最高車速對應的是持續(xù)工作區(qū)，即電動機的額定功率；而最大爬坡度和全力加速時間對應的是短時工作區(qū)，即電動機的峰值功率。由式（1）轉化為功率平衡方程為：
仿真結果表明，本文所設計選擇的驅動電機及動力電池滿足使用要求。文章為電動汽車動力系統(tǒng)設計、動力性能分析提供了一種有效的方法，也為后續(xù)的實踐工作奠定了一定的基礎。
電機的峰值功率應該滿足汽車以最低穩(wěn)定速度爬坡所需功率及以最大加速度行駛所需功率，最大爬坡度是指滿載時在良好路面上用最低檔克服的最大坡度。
爬坡功率有：
加速功率有
峰值功率需滿足：
電機的峰值扭矩應滿足汽車以最低穩(wěn)定速度行駛時所能爬的最大坡度所需的扭矩，即：
電動機的最大轉速應能滿足汽車以最高車速行駛時所需的轉速，汽車速度與電機轉速之間的關系為：，通過換算，得：
帶入相關參數通過以上計算，選擇永磁同步電機，其參數為：額定功率30kW，最大功率60kW，額定扭矩120N·m，最大扭矩240N·m，最大轉速8000rpm。
展開 純電動汽車動力系統(tǒng)選型匹配與仿真
作者：趙暢，朱春紅
本文以某純電動汽車作為研究對象，依據整車設計目標對其動力總成系統(tǒng)進行選型匹配，并利用Cruise軟件進行整車仿真模型的建立及仿真分析，驗證選型匹配方案的合理性。
1 動力總成系統(tǒng)選型匹配計算
純電動汽車的動力總成系統(tǒng)主要由驅動電機、動力電池、傳動系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構成。其動力總成系統(tǒng)結構簡圖如下圖1所示。
為了對純電動汽車動力總成系統(tǒng)進行選型及匹配，應明確整車參數及所要求的性能指標。整車參數及性能指標如表1-2所示。
展開 
純電動汽車傳動系統(tǒng)參數匹配及優(yōu)化
著國家對新能源汽車企業(yè)的鼓勵與支持，一大批新造車勢力如雨后春筍，傳統(tǒng)汽車企業(yè)也在逐步向新能源汽車過渡。電動汽車具有勝過傳統(tǒng)內燃機車輛的許多優(yōu)點，例如行駛過程零排放、高效率、低噪聲。在能源危機及環(huán)保問題日益突出的局面下，推行交通工具向新能源轉型勢在必行。在電池效率問題得到有效解決之前，如何合理地選擇這些部件及有關參數，使部件匹配達到最優(yōu)。在相同蓄電池條件下，使車輛更好地滿足動力性和經濟性的需求，一直是行業(yè)研究的重點目標。
本文在完成2檔AMT純電動汽車傳動系統(tǒng)參數初步匹配的基礎上，利用人群搜索算法，以改善動力性和提高整車續(xù)駛里程為目標，對減速器速比進行了優(yōu)化，并結合AVL Cruise軟件對減速器速比優(yōu)化結果進行仿真分析，對比優(yōu)化前后仿真結果，實現電動汽車動力性和經濟性的有效提高。
1 整車參數及性能目標
某電動車型的主要技術參數及性能要求指標如表1和表2所示。
表1 整車參數
表2 性能要求指標
2 動力系統(tǒng)參數匹配
2.1 驅動電機的參數匹配
2.1.1驅動電機的功率
本文采用的是永磁同步電機，驅動電機的峰值功率應同時滿足所設計的最高車速、最大爬坡度、加速性能要求。
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
上式中：vmax為最高車速；m為整車裝備質量；A為迎風面積；CD為風阻系數；αmax為最大爬坡度；f為滾動阻力系數；vi為最大爬坡度時的車速，vi=20km/h；vj為汽車在NEDC工況中從100km/h加速到120km/h時的末速度，vj=120km/h；Pe為驅動電機的額定功率；λ為電機的過載系數，取2。
展開 純電動汽車動力系統(tǒng)選型匹配與仿真
本文以某純電動汽車作為研究對象，依據整車設計目標對其動力總成系統(tǒng)進行選型匹配，并利用Cruise軟件進行整車仿真模型的建立及仿真分析，驗證選型匹配方案的合理性。
1 動力總成系統(tǒng)選型匹配計算
純電動汽車的動力總成系統(tǒng)主要由驅動電機、動力電池、傳動系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構成。其動力總成系統(tǒng)結構簡圖如下圖1所示。
為了對純電動汽車動力總成系統(tǒng)進行選型及匹配，應明確整車參數及所要求的性能指標。整車參數及性能指標如表1-2所示。
1.1 驅動電機選型計算
1.1.1最高轉速及基速
最高車速可由以下公式計算得出：
（1）
圖1 純電動汽車動力總成系統(tǒng)結構簡圖
可得到電機的最高轉速為nmax=2274.04r/min；電動機的最高轉速與額定轉速的關系可用擴大恒功率區(qū)系數β來表示，根據關系式可得電機的基速n0：
（2）
因此，取最高轉速和基速分別為2500 r/min和780r/min。
表1 純電動汽車整車參數
表2 整車性能指標
1.1.2功率匹配
對于驅動系統(tǒng)峰值功率需求主要考量最高車速、某一車速下滿足最大爬坡度以及原地起步加速時分別對應的峰值功率需求。
展開 純電動汽車動力系統(tǒng)選型匹配與仿真
本文以某純電動汽車作為研究對象，依據整車設計目標對其動力總成系統(tǒng)進行選型匹配，并利用Cruise軟件進行整車仿真模型的建立及仿真分析，驗證選型匹配方案的合理性。
1 動力總成系統(tǒng)選型匹配計算
純電動汽車的動力總成系統(tǒng)主要由驅動電機、動力電池、傳動系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構成。其動力總成系統(tǒng)結構簡圖如下圖1所示。
為了對純電動汽車動力總成系統(tǒng)進行選型及匹配，應明確整車參數及所要求的性能指標。整車參數及性能指標如表1-2所示。
1.1 驅動電機選型計算
1.1.1最高轉速及基速
最高車速可由以下公式計算得出：
（1）
圖1 純電動汽車動力總成系統(tǒng)結構簡圖
可得到電機的最高轉速為nmax=2274.04r/min；電動機的最高轉速與額定轉速的關系可用擴大恒功率區(qū)系數β來表示，根據關系式可得電機的基速n0：
（2）
因此，取最高轉速和基速分別為2500 r/min和780r/min。
表1 純電動汽車整車參數
表2 整車性能指標
1.1.2功率匹配
對于驅動系統(tǒng)峰值功率需求主要考量最高車速、某一車速下滿足最大爬坡度以及原地起步加速時分別對應的峰值功率需求。
展開 電動汽車電控系統(tǒng)參數匹配及優(yōu)化深度解析
導讀： 為了提高純電動汽車的動力性設計指標，研究了純電動汽車電控參數在設計過程中，電機系統(tǒng)和電池系統(tǒng)參數匹配選擇的基本原則和整車控制策略，并利用ADVISOR軟件對所匹配出的動力參數進行仿真優(yōu)化驗證，最終使"電池+電機+電控"三電系統(tǒng)集成達到最優(yōu)狀態(tài)，從而提高了電動汽車的動力性能。同時也為純電動汽車設計初期的動力參數選型匹配提供了基本數據。
近年來，隨著大氣污染的日益嚴重、全球石油資源供應緊張及環(huán)保意識的增強，傳統(tǒng)的燃油汽車面臨著巨大的挑戰(zhàn)，純電動汽車越來越受到人們的青睞。實現電動汽車替代傳統(tǒng)汽車的關鍵是純電動汽車的整車動力性是否滿足人們的需要。解決整車動力性能的關鍵因素在于如何實現電池質量小且儲存能量大、提高電機的性價比及優(yōu)化電驅動控制策略。通過選擇動力系統(tǒng)參數，使得電機、電池及電控更好地集成到一起，是現階段提高純電動汽車整車動力性的重要方法之一。文章通過研究匹配電機、電池參數及整車控制器參數的基本原則，為純電動汽車初期設計動力匹配提供了理論依據及基礎數據，對新產品的開發(fā)提供了指導作用，大大縮短了開發(fā)周期。
純電動汽車整車動力系統(tǒng)設計流程和需求
純電動汽車動力系統(tǒng)由整車控制器、電機控制器、永磁同步電機、電池管理系統(tǒng)及動力電池等構成，整車動力系統(tǒng)的基本架構，如圖1所示。純電動汽車動力系統(tǒng)開發(fā)過程可采用“V”模式，如圖2所示。定義好各個環(huán)節(jié)的功能需求，按照開發(fā)流程進行新產品的動力系統(tǒng)開發(fā)，文章針對具有單速比和永磁同步電機的純電動汽車的參數匹配展開研究。
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