电动汽车电驱动系统动力性匹配设计

高 进，陆海斌

（长安汽车轻型车研发中心，河北 定州 073000）

电动汽车动力特性通常由加速性、爬坡能力、最高车速等性能来评价。驱动电机性能参数设计成为满足整车动力性能首要考虑的问题，而所有驱动电机的这些性能参数都取决于电驱动电机转速-转矩 （功率）特性［1］。本文以某款纯电动物流车进行研究，对其驱动系统匹配选型与验证。

1 整车基本参数及开发目标

1.1 基本参数

整车基本参数见表1。

1.2 开发目标

整车动力性、经济性是衡量电动汽车性能的重要指标，电动汽车设计必须满足其动力性、经济性需求。本次研究以动力性为研究方向，研究车型动力性参数需求见表2。

表1 整车参数

表2 开发目标

2 电机性能需求参数计算

电机系统的选择主要由整车动力性决定，因此所选电机性能参数可根据整车动力性参数进行选择。其匹配过程如下。

2.1 额定功率［1-4］

选择电机功率时，需确保整车可在各种工况下正常运行。功率匹配过程如下。

1）当电动汽车以最高车速运行时所需功率PV：

2）当车辆满载时以规定车速V爬一定坡度的坡时所需功率为Pi：

3）当车辆在水平路面上加速行驶所需功率Pj：

式中：δ——汽车旋转质量换算系数。

选型的驱动电机额定功率应能同时满足以上最高车速、规定车速爬坡、水平路面加速行驶3种情况下的功率需求，即：

2.2 额定转速

为了提高电池利用率，结合车辆用途及经济车速来定义电机额定转速，定义名义转折转速对应的车速为表2中常规车速Ve。

计算得到电机名义转折转速值为6778 r／min。

2.3 最高转速

以最高车速Vmax确定电机最高转速。根据公式：

最高车速对应的电机最高转速9039 r／min，留1.05的安全余量，则电机最大转速为nmax≥9495 r／min。

2.4 额定转矩

电机转矩选择时，额定转矩可根据额定功率进行匹配，最大转矩需满足汽车起步转矩和最大爬坡度要求。

以额定功率／转速确定电机额定转矩Tqe（Nm）：

2.5 峰值转矩

2.5.1 以最大爬坡度确定

此时车辆以匀速爬坡行驶，车辆的行驶方程为：

2.5.2 以电机外特性确定

根据电机外特性，额定转速以下为恒转矩区，额定转速以上为恒功率区，由2.3得出，在60 km／h以下为恒转矩区，且0-50 km／h为恒转矩区，当电机以最大转矩输出时，0-50 km／h加速时间最短，则根据表2开发目标0-50 km／h加速时间7 s确定电机最大转矩Tqmax

得出Tqmax2=87.79 Nm≈90 Nm

由上计算得出，Tmax≥max［Tqmax1，Tqmax2］， 取190 Nm。

2.6 峰值功率

由0-50 km／h加速时间为7 s计算整车起步最大功率需求，由电机外特性可知，0-50 km／h为恒转矩区，当电机以最大转矩输出时，加速时间最短，则

峰值功率Pmax1＝44.48 kW。

由50-80 km／h加速时间为10 s计算整车超车加速最大功率需求，由电机外特性可知，50-60 km／h为恒转矩区，60-80 km／h为恒功率区，则

又对整车进行加速时间分析，由整车运动方程得整车加速时间

1）结合电机外特性曲线，当电机在恒转矩区以峰值转矩Tmax运行时加速时间最短，电机输出至轮边驱动力：

2）当电机在恒功率区以峰值功率Pmax运行时加速时间最短，电机输出至轮边驱动力：

根据表2、公式 （4）可知，0-60 km／h为恒转矩加速，加速时间由公式 （12）、公式 （13）得出：

所以，t0-60＝8.069 s。

同理，0-80 km／h加速时间为18 s计算整车最大功率需求Pmax2：

所以，t60-80＝t0-80-t0-60=18-8.069＝9.931 s。

峰值功率Pmax2＝48.55 kW。

由上计算得出，车辆要满足最大爬坡及加速性能需求，电机最大功率要满足：

综上该电动汽车的动力性指标需求见表3。

表3 整车动力需求参数表

3 电机选型

根据表3匹配参数，结合电池包输出特性，选择某公司现有30／60 kW电机。

驱动电机系统参数见表4。

表4 电机选型参数表

1）最大功率及最高转速运行时间为1 min。

2）所选电机应能够在6778 r／min@36.69 Nm工况下运行30 min以上。

3）电机最大扭矩时应能持续运行1 min。

4 整车动力性校核

4.1 1 km最高车速

4.2 30 min最高车速对应扭矩

根据车辆在水平良好路面行驶的行驶方程式，如下：

得到车辆驱动力-行驶阻力数值对应表见表5。

车辆驱动力-阻力平衡图如图1所示。

根据图1行驶力平衡图得到

表5 驱动力-行驶阻力对应表

图1 整车驱动力-阻力平衡图

4.3 最大爬坡度

汽车最大爬坡度决定了汽车的爬坡性能，是指汽车满载时在良好路面上在一定速度下所能达到的最大坡度。对车辆按照最大设计总质量进行爬坡能力仿真，其车速-爬坡度对应表见表6。

表6 车速-爬坡度对应表

爬坡度曲线如图2所示。

图2 爬坡度曲线

通过分析，满足整车≥20% （28 km／h）的爬坡度需求。

4.4 加速性校核

电机外特性曲线如图3所示。

使用Math-CAD软件对车辆0-50km／h （即：0～5648r／min）加速时间进行分析，该加速过程包含电机从0至额定转速对应车速 （35.4 km／h）和额定转速对应车速至50 km／h两个加速阶段。综合式 （12）、式 （13）、式 （14）得其加速时间为：

对车辆50-80 km／h （即：5648～9038 r／min） 加速时间进行分析，此加速全过程均在恒功率区工作，故其加速时间为：

对车辆0-80 km／h （即：0～9038 r／min） 加速时间进行分析，其加速过程包含恒扭矩区工作和恒功率区工作两个过程。其加速时间为：

4.5 结果分析

仿真结果与实车测试结果对比，其结果见表7。

表7 需求-仿真-测试结果对照表

分析该车型动力性能匹配结果，选用的电机系统满足该车动力系统需求，符合设计要求。

5 结论

分析了电动汽车动力性匹配方法，使用Math-CAD进行动力性校核，并经实车测试验证，对结果进行比较，说明该匹配方法选出的动力系统方案已十分接近实车动力性需求，可完全胜任产品开发阶段对电动汽车动力系统进行匹配与选型。