电动汽车部件选型分析及仿真验证

张健，李波

西安双特智能传动有限公司 陕西西安 710119

近年来汽车保有量逐年增加，汽车尾气排放及对石油的过度消耗所引发的环境、能源问题日益严重，如何有效地控制汽车尾气排放，寻找有效的石油替代能源越发重要。

电动汽车依靠电动机与电池组进行驱动，行驶过程中不会排放尾气，因此电动汽车具有结构简单、清洁环保等优势。但电动汽车续驶里程短、充电时间长、成本高等问题又制约着电动汽车的进一步普及。如何优化电动汽车核心部件的选型和匹配、确保在各种运行工况下，车辆都能工作在高效区域，提高传动系统工作效率，延长续驶里程显得尤为重要。

本文以理论计算、模型仿真相结合的方法，阐述如何根据整车性能指标来进行动力部件的选型，同时搭建车辆系统模型进行性能仿真验证，优化选型结果。

整车性能指标

以一款A00级别的车为例，根据对目标市场、法规及竞品的分析设定了性能目标（见表1）。

表1 某款A00级乘用车性能指标

零部件选型

依据整车的动力性、经济性指标，同时基于成本合理性的综合考虑来确定车辆的动力系统参数。

1.驱动电动机选型原则

驱动电动机作为电动汽车的驱动部件应具有良好的转矩－转速特性，满足车辆起步、加速、减速及爬坡等状态所需的功率和转矩需求。根据整车的行驶工况，驱动电动机可以在恒转矩区和恒功率区运转；应经常保持在高效率范围内运转。同时根据整车布置需求综合考虑电动机质量、体积等因素。

驱动电动机功率的选择将对电动汽车的动力性和经济性有着重要的影响，对于电动汽车驱动电动机在功率选择时需要考虑以下几个因素：

（1）最高车速驱动电动机功率必须能够满足电动汽车在最高车速行驶时的功率需求，从而保证汽车在良好路面和空载情况下，能够获得较高的行驶速度。

（2）加速性能驱动电动机的功率越大，则电动机的后备功率就越大，从而加速性能越好。但过多的后备功率又会导致车辆行驶时的能耗较高。

同时由于汽车的行驶工况比较复杂，需要电动机具有一定的过载能力，即能够承受较大的过载电流，能输出高于额定转矩2倍以上的转矩。

2.动力电池选型原则

动力电池也是决定车辆续驶里程的关键部件，动力电池性能的好坏对整车动力性、经济性有很大的影响。当确定了驱动电动机及动力电池类型后，需要确定电动机的额定电压和电池的电压。在电动机功率一定的情况下，电压越高，电流越小，线束上消耗的功率损失就会越小，电池以小电流放电时，可获得较大的容量，但电压过高，又影响电子元器件的性能和安全。

当前影响电动汽车普及的关键因素有电动汽车的续驶里程和电池的使用性能（电池的充电时间、安全性、价格和使用寿命等）。在选择电池的容量时，既要满足汽车续驶里程的设计要求，又要考虑整车的空间结构和底盘的承载能力。

选择电池容量越大，电池所存储的电能越多，整车质量增加导致行驶阻力也增加；相反，当电池容量过小又影响电动汽车的续驶里程。

3.变速器选型原则

电动汽车行驶过程中可以通过固定速比的变速器来满足不同行驶功率的需求，变速器起到减速增扭的作用。虽然电动汽车的电动机具有较宽的调速范围，但在车辆设计过程中，合理地选择传动比一方面可以满足不同工况的功率、转矩要求，另一方面使得电动机在不同工况运转时，尽量处于高效率区间内，从而获得较高的转化效率，减小功率损失，提高续驶里程。

4.动力系统部件选型计算过程

基于上述动力系统部件选型原则，同时考虑车辆成本和市场定位，初步选取驱动电动机的类型为永磁同步电动机，动力电池选择三元锂电池。

下面根据车辆的性能指标进行驱动电动机主要性能参数功率、转矩和转速的计算。

驱动电动机的功率应不小于最高车速行驶时对应的功率，并且电动机的峰值功率必须满足最大爬坡度和加速时间对应的功率要求。

电动汽车最高车速对应的功率需求：当车辆以最高车速行驶时，仅考虑车辆行驶的滚动阻力和风阻，忽略坡度阻力的影响，因此当车辆以最高车速行驶时的功率应满足式（1）。

式中Pvmax——最高车速对应的功率需求（kW)；

Vmax——最高车速（km/h）；

mf——车辆满载质量（kg）；

ηT——传动效率；

f——滚阻系数；

CD——风阻系数；

A——车辆迎风面积（m2）。

加速时间对应的功率需求：车辆加速过程中仅考虑滚动阻力、风阻及加速阻力的影响，忽略坡道阻力，此时车辆的功率需求应满足式（2）。

式中Pacc——车辆加速时对应的功率需求（kW)；

V——加速过程中的目标车速（km/h）。

最大爬坡度对应的功率需求：车辆爬坡过程中仅考虑滚动阻力、风阻及坡道阻力的影响，忽略加速阻力，此时车辆的功率需求应满足式（3）。

式中Pslope——车辆爬坡时对应的功率需求（kW)；

Vslope——车辆爬坡时的稳定车速（km/h）；

αmax——最大坡度（%）；

以上是对驱动电动机的功率需求，电动机功率需取Pvmax、Pacc、Pslope三者中最大值。

电动机转矩同样需要满足车辆加速和爬坡的性能需求。

加速时间对应的转矩需求：电动机输出转矩经过变速器速比放大后输出到车轮，车辆加速时间对应的转矩需求应满足式（4）。

式中 Ttq——电动机驱动转矩（N.m）；

ig——变速器传动比；

i0——主减速器速比；

r——轮胎滚动半径（m）。

最大爬坡度对应的转矩需求：车辆爬坡时对应的转矩需求应满足式（5）。

电动机转速需满足最高车速的性能需求。电动机转速匹配:纯电动汽车最高车速是指在平路没有风速的条件下电动汽车所能达到的最高行驶速度，即加速度为零、行驶阻力与驱动力平衡时的速度，电动机转速应满足式(6)。

依据式（1）～式（6）及整车参数（见表2），通过Matlab/Simulink建立部件参数计算模型，最终确定电动机的参数。仿真结果表明电动机峰值功率不低于29kW、电动机峰值转矩不低于92N·m，电动机最高转速不低于7400r/min。

表2 整车模型参数

基于成本和开发周期的考虑选用市场现有成熟产品峰值功率29 kW，额定功率15 kW，峰值转矩110N·m，额定转矩30N·m，电动机最高转速7500r/min。变速器速比依据现有产品初定为7.048。

5.动力电池系统参数确定

动力电池系统的电压范围依据电动机和电动机控制器的电压范围(80～ 150V DC)进行匹配，同时根据车辆布置空间决定动力电池的串并联形式，整车的续驶里程与电池的能量、驱动系统的效率、车辆的附件.消耗等有密切的关系，为了更准确地仿真不同工况下实际续驶里程，需要考虑制动能量回收对续驶里程的影响;同时系统动力电池的功率必须满足驱动电动机所需功率，而所需电池的最大放电功率取决于动力电池的电压与最大放电电流，因此根据所选择电动机型号的工作电压范围、功率参数等匹配电池功率，电池参数需满足式(7) 和式(8)。

式中Pacc——电动机最大功率（kW)；

Pvmax_single——单节电池最大功率（kW)；

ηB——动力电池放电效率（%）；

ηM_C——电动机及电动机控制器效率（%）；

L——NEDC续驶里程（km）；

Usingle——电池单体电压（V）；

Cr——单体电池容量（Ah）；

W——车辆行驶单位距离的能量消耗（Ah/100km）。

通过计算初步选定电池的参数见表3。

表3 动力电池系统参数

建立车辆仿真模型

基于以上参数计算及车辆行驶方程式建立整车仿真模型，用于验证上述部件选型是否符合指定的车辆指标。

仿真模型搭建原理即整车控制器VCU将驾驶员的油门踏板请求转化为电动机对应的驱动力矩，经过变速器及主减速器降速增扭之后将驱动转矩传递到驱动轮来驱动车辆，同时电池需要给电动机供电能来满足驾驶员期望的机械功率，即整车需求的机械功率需要转化为电功率，消耗电池电量。

为保证仿真的精度，模型搭建时需要考虑VCU的控制逻辑（驱动转矩计算、能量回收转矩计算、转矩仲裁模块）和车辆附件的功率消耗，整车仿真模型包含工况输入、VCU控制模型、车辆本体模型（电能和机械能转换模块、车辆动力学模型）。

结语

通过整车模型进行动力性和经济性指标的仿真验证：

（1）续驶里程 从仿真结果上看，当匹配的动力电池电量为15kW·h时，可以实现NEDC续驶200km的设计要求，满足经济性指标，如图1所示。

图1 NEDC工况续驶里程仿真

（2）最高车速、加速时间及最大爬坡度 从仿真结果上看，动力部件的选型结果满足以上动力性指标：最高车速100km/h，0～50km加速时间7.5s，最大爬坡度20%，稳定坡道稳定车速20km/h，如图2和图3所示。

图2 最高车速及加速时间仿真

图3 最大爬坡度仿真

结语

通过理论计算进行动力部件参数的选择，同步建立仿真模型进行仿真，验证了动力系统部件选型的结果可以满足设定的动力性和经济性指标，此方法有利于在开发初期加速和优化产品的参数选型，仿真验证选型结果和控制算法，在保证产品性能的前提下节约成本、缩短开发周期。