技術 | 純電動汽車性能仿真與驅動電機選型分析

引言

本文從純電動汽車整車系統角度出發，研究驅動電機的選型，主要通過以下性能的仿真結果作為選型依據：最高車速、最大爬坡度、整車加速時間、續航里程。旨在選型出平臺化的、可靠性強的純電動車驅動電機，保證車輛安全平穩的運行的前提下，提高車輛的能量利用率，保證商用車輛經濟性。

1 動力性仿真分析

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到的最高行駛車速，也是汽車在平坦路面無風條件下，行駛阻力和驅動力平衡時的車速，是汽車動力性的三個評價指標之一。

最高車速計算公式如下：

?（1）

nm——電機轉速（rpm）；

R——車輪滾動半徑（m）；

i0——驅動后橋速比。

其中，車輪半徑和后橋速比是固定的，因此車速與轉速成正比，車速隨著轉速的增加而增加；同時，車速與空氣阻力成正比，當車速增大到驅動力與阻力平衡時，此時車輛達到最高車速。

整車驅動力計算公式如下：

?（2）

Tq——電機轉矩（N·m）；

nT ——傳動效率；

滾動摩擦阻力計算公式如下：

?（3）

m ——車輛整備質量（kg）；

f ——滾動阻力系數。

空氣阻力計算公式如下：

（4）

CD——空氣阻力系數；

A——汽車迎風面積（m2）。

由于車輛在平坦路面無風條件下達到最高車速，因此行駛阻力只考慮空氣阻力以及滾動摩擦阻力，故阻力合力計算公式如下：

（5）

根據上述公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)可列出驅動力行駛阻力平衡方程。

驅動力行駛阻力平衡方程如下：

?（6）

結合公式(1)、(2)、(5)、(6)，后續代入整車參數及電機電控參數（其中電機電控參數使用峰值條件下的數據），可得出整車車速分別與驅動力和行駛阻力相關的曲線，隨著車速增加，驅動力逐漸下降，而行駛阻力逐漸增加，利用仿真分析軟件可繪制出驅動力-行駛阻力平衡圖進行最高車速仿真。

1.2 最大爬坡度仿真

純電動汽車爬坡度，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度的比值的百分數來表示。

爬坡度計算公式如下：

?（7）

將公式(1)、(2)、(2)代入到爬坡度計算公式(7)，即可得到整車爬坡車速與爬坡度的關系，車輛以越高的車速爬坡的時候，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行最大爬坡度計算。

1.3 加速時間仿真

加速時間即汽車由車速為0km/h加速到某一車速的最短時間。對于手動擋的車輛，加速時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間。由于該純電動商用車車型只有D檔/N檔/R檔，所以前進過程中不存在換擋操作，只要油門踏板踩滿以最大進行加速即可。

車輛加速度公式如下：

?（8）

Q——旋轉質量轉換系數。

其中，D為車輛動力因數，是汽車牽引性能的主要指標。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。

汽車動力因數的計算公式如下：

?（9）

將公式(9)代入(8)中，結合公式(2)、(4)，即可算出車輛加速度與速度之間的關系，再根據牛頓第二運動定律，即可得出整車加速時間曲線圖，推算出達到相應速度的加速時間。

2 經濟性仿真——續航里程

對于電動汽車和燃油車對比，電動汽車目前最大的短板就是續航里程短且續航里程補給時間長。續航里程即電動汽車在純電模式下依靠電池電量支持行駛的最大里程。

電動汽車續航里程公式如下：

?（10）

Eb——電池總電量（kWh）；

Nmc——系統效率；

Nq——電池放電效率。

從公式中可以看出來，續駛里程與電池總電量、系統效率以及電池放電效率成正比關系。在電池電量一定的情況下，電機工作的轉速也有著密不可分的關系?？梢婋姵仉娏恳约半姍C電控系統效率的好壞是決定車輛續航里程的重要因素。將整車技術定義中提供的電機電控系統參數代入上述公式，結合公式(1)、(2)、(5)，按照電動商用車滿載條件計算，即可得出續航里程與車速之間在某個特定車速下可以使續航里程最大化，但還需要結合實際的試驗方法進行后續續航里程摸底試驗。

3 實際驅動電機選型案例

整車參數根據前期策劃數值設定，計算所需要的公式之前已經進行過推導，輸入電機一、二的驅動電機及電控參數。

3.1 最高車速（驅動力-行駛阻力平衡圖及功率平衡圖）

在同樣的整車試驗條件下，進行性能比較。

首先比較兩臺電機能達到的最高車速。根據電機及電控的驅動參數，結合計算公式仿真出平衡圖，當驅動力與行駛阻力相等時的交點為最高車速點。

電機1的最高車速ua max=71km/h時，驅動力與行駛阻力相等。

圖1 電機1的驅動力 - 行駛阻力平衡圖

電機1在最高車速ua max=71km/h時，驅動力功率與行駛阻力功率相等。

圖2 電機1的功率平衡圖

電機2的最高車速ua max=101km/h時，驅動力與行駛阻力相等。

圖3 電機2的驅動力-行駛阻力平衡圖

電機2在最高車速ua max=101km/h時，驅動力功率與行駛阻力功率相等。

圖4 電機2的功率平衡圖

3.2 爬坡度（爬坡度曲線）

再比較兩臺電機能達到的最大爬坡度。根據電機及電控的驅動參數，結合計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1在5km/h的速度下，可以達到的最大爬坡度I max= 29%。

圖5 電機1的爬坡度曲線圖

電機2在8km/h的速度下，可以達到的最大爬坡度I max= 13%。

圖6 電機2的爬坡度曲線圖

3.3 加速時間（加速度曲線）

接著在同樣的載質量m=1100kg的情況下，比較搭載電機1和電機2時車輛達到50km/h的時速，所需要的時間長短。

電機1達到50km/h的速度，所需要的加速時間ta =15s。

圖7 電機1的加速度曲線

電機2達到50km/h的速度，所需要的加速時間ta =17s。

圖8 電機2加速度曲線

3.4 續駛里程（續駛里程曲線）

電機1所達到的續駛里程 S=131km。

圖9 電機1的續駛里程曲線圖

電機2所達到的續駛里程 S=138km。

圖10 電機2的續駛里程曲線圖

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

4 電機動力性計算對比分析

動力性方面：驅動電機2在最大爬坡度上不能滿足設計要求；驅動電機1雖然在爬坡能力上表現優異，但最高車速較低。

表1 電機1、2搭載整車性能對比分析表

經濟性方面：噸百公里耗電量（SOC=80%，Eb=15.6kWh，m=930kg），驅動電機1為10.24度，驅動電機2為9.72度，驅動電機2結果更佳。

5 結論

對于電機1，不考慮最高車速的情況下，滿足設計要求；對于電機2，為滿足爬坡需求，需要采用大傳動比車橋滿足設計要求。

通過模擬仿真分析，得出對于不同廠家輸入產品在整車性能參數層面上的分析建議，由相關工程師對于結果進行分析比對，選擇對應的驅動電機或者輸入新的產品，繼續開展研發設計工作。對于減少研發工作量，以及避免因產品定義不明確，所造成在實際裝車中出現問題，重新進行產品設變，重復驗證方案對于研發經費的浪費和開發周期的延誤有著實際的意義。

來源 | EDC電驅未來