纯电动汽车驱动电机选型方法研究与计算界面设计

徐林勋, 赵小羽，张 送

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

0 引言

目前全球面临着能源危机和汽车尾气排放的问题，已成为制约传统汽车业发展的两大技术问题，而电动汽车可以实现零排放及能源的合理利用，其动力性能指标完全可以达到内燃机汽车的要求，因此，电动汽车必然成为21 世纪重要的新型绿色环保交通工具[1]。电动汽车动力性能指标的好坏在很大程度上取决于驱动电机与变速器等部件组成的驱动系统。为了满足电动汽车所要求的各项性能指标，使汽车整体的动力性能得到更好地发挥，对驱动电机本身性能参数的选择对电动汽车是至关重要的。

本文在对纯电动汽车驱动系统选型方法的分析研究基础上，提出了一种适合目前项目实际需要的电机选型方法，并根据此方法通过Matlab/GUI 开发了电机选型计算界面，可以在线得到满足整车动力性能需求的电机各项性能指标，为纯电动汽车的开发设计提供了有效的工具。

1 驱动电机参数选择与匹配

驱动电机是电动汽车行驶的动力源，电机参数选择与匹配主要包括电机的峰值功率和额定功率、电机的最高转速和额定转速等[2，3]。

1.1 电机额定功率与峰值功率的选择

根据电动汽车的行驶要求，一般在设计时按照汽车匀速行驶过程中的最高车速来选定电机的额定功率。即：

其中： Pe—电机额定功率（kw）；umax—最高车速（km/h）；m—车辆质量（kg）；g—重力加速度（m/s2）；f—滚动阻力系数；Cd—空气阻力系数；A—迎风面积（m2）；ηT—传动系机械效率。

电动机要提供车辆最大爬坡能力所需功率，即车辆在良好路面上以一定的速度爬上最大坡度路面所需功率。此时假设车辆匀速爬坡行驶，即加速阻力为零。且满足车辆最大爬坡性能所需的功率为：

其中： Pa—满足最高爬坡要求需要的电机功率（kw）；ui—爬坡车速（km/h）；m—车辆质量（kg）；g—重力加速度（m/s2）；f—滚动阻力系数；Cd—空气阻力系数；A—迎风面积（m2）；αmax—最大爬坡, αmax=arctan(imax)；imax—最大爬坡度（%）；ηT—传动系机械效率。

对于纯电动汽车一般考虑0～50km/h 的原地起步加速时间与50～80km/h 的超车加速时间[4]。由于汽车加速过程中加速度是变化的，为方便计算，本文将汽车加速过程假设为匀加速，则满足加速时间需要的电机功率为：

其中：Pt—满足加速时间需要的电机功率（kw）；ut—加速末车速（km/h）；u0—加速初车速（km/h）；m—车辆质量（kg）；g—重力加速度（m/s2）；f—滚动阻力系数；Cd—空气阻力系数；A—迎风面积（m2）；t—加速时间（s）；δ—旋转质量换算系数，一般取1.04；ηT—传动系机械效率。

驱动电机的最大功率（Pemax）必须满足最高车速时的功率（Pe）、最大爬坡度时的功率（Pi）及根据加速时间的功率（Pt）要求，即：

1.2 电机最高转速与额定转速的选择

根据汽车行驶的最高车速以及常规车速来确定电机最高转速与常规转速。电机转速与汽车车速之间的关系为：

其中： ua—汽车车速（km/h）；ig—变速器速比；i0—主减速器速比；n—电机转速（r/min）；r—轮胎半径（m）。

1.3 电机额定转矩选择

根据电机的额定功率与额定转速来确定电机的额定扭矩，即：

其中： Te—电机额定转矩（Nm）；Pe—电机额定功率（kw）；nN—电机额定转速（r/min）。

1.4 电机峰值转矩选择

Tmax的选择需要满足汽车起动转矩和αmax的要求，同时结合传动系最大传动比imax和αmax来确定：

其中： Tmax—电机峰值转矩（Nm）；m—车辆质量（kg）；g—重力加速度 （m/s2）；f—滚动阻力系数；αmax—最大爬坡，αmax=arctan（imax）；imax—最大爬坡度（%）；ηT—传动系机械效率；r—汽车轮胎滚动半径（m）；igmax—变速器速比最大值；i0—主减速器速比。

2 驱动电机计算界面设计

Matlab/GUI 图形用户界面 （graphical user interface，GUI） 是由各种图形对象包括窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象（Object）构成的一用户界面。在GUIDE平台下可实现对用户自定义界面的菜单、快捷菜单以及各种控件的位置布置及其属性编辑，从而设计出自定义的图形用户界面[5]。

Matab/GUI 是一种有别于其它用户界面设计的新型界面开发方式，用户可以通过图形用户界面的设计来确定应用程序的主要框架和基本功能，完成了窗口、图标、菜单、按钮等用户界面，用户也只需在由软件开发工具自动生成的程序代码中添加自己的运算或控制代码，就可以完成应用程序的设计。如图1 和图2 为电机计算界面的部分源代码程序与电机参数计算界面[6]。

图1 电机选型计算部分源代码程序

图2 驱动电机选型计算界面

通过计算界面可知，本界面主要包括三部分，一部分为软件的菜单栏，一部分为驱动电机选型参数输入，包括基本参数与性能目标参数；另一部分为选型结果输出。其中菜单栏包括File、Edit、View、Figure、Help 四部分，File 为文件的打开、保存等功能，Edit 功能是数据的导入与导出；View 是打印输出结果；Figure 可以输出计算结果曲线，Help 可以打开帮助文件。

3 驱动电机参数计算

3.1 整车参数及性能目标

纯电动汽车性能目标参数主要包括动力性能指标以及续驶里程指标，根据要求的指标来确定纯电动汽车驱动电机的性能参数[7]。表1 为设计开发的某款纯电动汽车的整车相关参数。

表1 纯电动汽车整车相关参数

3.2 电机选型界面仿真与参数计算

按要求将表1 中整车相关参数输入到计算界面的指定位置中，如图3 所示为参数输入完成后的驱动电机计算界面。

图3 参数输入完成后的驱动电机计算界面

3.3 电机选型结果

驱动电机计算结果包含两部分，一部分是电机性能参数的数值输出，另外一部分是相关曲线的绘制。如图4、5分别为电机性能参数计算结果的数值输出与曲线输出。

4 结论

图4 电机计算结果数值输出

图5 电机计算结果曲线输出

纯电动汽车驱动电机的合理选型对整车的动力性能有很大的影响，为使电机选型过程既准确又方便，本文在对选型理论方法研究的基础上，设计开发了纯电动汽车选型计算软件，并以项目中某款车型为基础，根据其整车动力性能的要求，利用选型软件对其驱动电机进行了选择，通过对车型进行动力性能试验发现选择的驱动电机可以满足要求并且选型合理，为电动汽车的设计、动力性能预测及分析提供了有效的方法。

[1] 陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京：北京理工大学出版社，2004.

[2] 孙家永.纯电动汽车动力系统参数匹配及性能研究[D].长安大学.2012.

[3] 方锡邦.微型纯电动汽车动力性能参数匹配及仿真研究[D].合肥工业大学，2011.

[4] GB/T 28382-2012 纯电动乘用车 技术条件[S].

[5] 陈垚光.精通MATLAB GUI 设计[M]. 北京: 电子工业出版社，2008.

[6] 张志涌.精通MATLAB[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社，2004.

[7] 谷靖，欧阳明高，卢兰光，李建秋.微型纯电动汽车的系统构型与关键参数设计[J].汽车工程，2013，1.