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嘉峪檢測網(wǎng) 2021-11-02 23:48
近年來汽車保有量逐年增加，汽車尾氣排放及對石油的過度消耗所引發(fā)的環(huán)境、能源問題日益嚴重，如何有效地控制汽車尾氣排放，尋找有效的石油替代能源越發(fā)重要。
電動汽車依靠電動機與電池組進行驅動，行駛過程中不會排放尾氣，因此電動汽車具有結構簡單、清潔環(huán)保等優(yōu)勢。但電動汽車續(xù)駛里程短、充電時間長、成本高等問題又制約著電動汽車的進一步普及。如何優(yōu)化電動汽車核心部件的選型和匹配、確保在各種運行工況下，車輛都能工作在高效區(qū)域，提高傳動系統(tǒng)工作效率，延長續(xù)駛里程顯得尤為重要。
本文以理論計算、模型仿真相結合的方法，闡述如何根據(jù)整車性能指標來進行動力部件的選型，同時搭建車輛系統(tǒng)模型進行性能仿真驗證，優(yōu)化選型結果。
整車性能指標
以一款A00級別的車為例，根據(jù)對目標市場、法規(guī)及競品的分析設定了性能目標（見表1）。
零部件選型
依據(jù)整車的動力性、經(jīng)濟性指標， 同時基于成本合理性的綜合考慮來確定車輛的動力系統(tǒng)參數(shù)。
1.驅動電動機選型原則
驅動電動機作為電動汽車的驅動部件應具有良好的轉矩－轉速特性，滿足車輛起步、加速、減速及爬坡等狀態(tài)所需的功率和轉矩需求。根據(jù)整車的行駛工況，驅動電動機可以在恒轉矩區(qū)和恒功率區(qū)運轉；應經(jīng)常保持在高效率范圍內運轉。同時根據(jù)整車布置需求綜合考慮電動機質量、體積等因素。
驅動電動機功率的選擇將對電動汽車的動力性和經(jīng)濟性有著重要的影響，對于電動汽車驅動電動機在功率選擇時需要考慮以下幾個因素：
最高車速 驅動電動機功率必須能夠滿足電動汽車在最高車速行駛時的功率需求，從而保證汽車在良好路面和空載情況下，能夠獲得較高的行駛速度。
加速性能 驅動電動機的功率越大，則電動機的后備功率就越大，從而加速性能越好。但過多的后備功率又會導致車輛行駛時的能耗較高。
同時由于汽車的行駛工況比較復雜，需要電動機具有一定的過載能力，即能夠承受較大的過載電流，能輸出高于額定轉矩2倍以上的轉矩。
2.動力電池選型原則
動力電池也是決定車輛續(xù)駛里程的關鍵部件，動力電池性能的好壞對整車動力性、經(jīng)濟性有很大的影響。當確定了驅動電動機及動力電池類型后，需要確定電動機的額定電壓和電池的電壓。在電動機功率一定的情況下，電壓越高，電流越小，線束上消耗的功率損失就會越小，電池以小電流放電時，可獲得較大的容量，但電壓過高，又影響電子元器件的性能和安全。
當前影響電動汽車普及的關鍵因素有電動汽車的續(xù)駛里程和電池的使用性能（電池的充電時間、安全性、價格和使用壽命等）。在選擇電池的容量時，既要滿足汽車續(xù)駛里程的設計要求，又要考慮整車的空間結構和底盤的承載能力。
選擇電池容量越大，電池所存儲的電能越多，整車質量增加導致行駛阻力也增加；相反，當電池容量過小又影響電動汽車的續(xù)駛里程。
3.變速器選型原則
電動汽車行駛過程中可以通過固定速比的變速器來滿足不同行駛功率的需求，變速器起到減速增扭的作用。雖然電動汽車的電動機具有較寬的調速范圍，但在車輛設計過程中，合理地選擇傳動比一方面可以滿足不同工況的功率、轉矩要求，另一方面使得電動機在不同工況運轉時，盡量處于高效率區(qū)間內，從而獲得較高的轉化效率，減小功率損失，提高續(xù)駛里程。
4.動力系統(tǒng)部件選型計算過程
基于上述動力系統(tǒng)部件選型原則，同時考慮車輛成本和市場定位，初步選取驅動電動機的類型為永磁同步電動機，動力電池選擇三元鋰電池。
下面根據(jù)車輛的性能指標進行驅動電動機主要性能參數(shù)功率、轉矩和轉速的計算。
驅動電動機的功率應不小于最高車速行駛時對應的功率，并且電動機的峰值功率必須滿足最大爬坡度和加速時間對應的功率要求。
電動汽車最高車速對應的功率需求：當車輛以最高車速行駛時，僅考慮車輛行駛的滾動阻力和風阻，忽略坡度阻力的影響，因此當車輛以最高車速行駛時的功率應滿足式（1）。
加速時間對應的功率需求：車輛加速過程中僅考慮滾動阻力、風阻及加速阻力的影響，忽略坡道阻力，此時車輛的功率需求應滿足式（2）。
最大爬坡度對應的功率需求：車輛爬坡過程中僅考慮滾動阻力、風阻及坡道阻力的影響，忽略加速阻力，此時車輛的功率需求應滿足式（3）。
以上是對驅動電動機的功率需求，電動機功率需取 Pvmax、 Pacc、 Pslope三者中最大值。
電動機轉矩同樣需要滿足車輛加速和爬坡的性能需求。
加速時間對應的轉矩需求：電動機輸出轉矩經(jīng)過變速器速比放大后輸出到車輪，車輛加速時間對應的轉矩需求應滿足式（4）。
依據(jù)式（1）～式（6）及整車參數(shù)（見表2），通過Matlab/Simulink建立部件參數(shù)計算模型，最終確定電動機的參數(shù)。仿真結果表明電動機峰值功率不低于29kW、電動機峰值轉矩不低于92N·m，電動機最高轉速不低于7400r/min。
基于成本和開發(fā)周期的考慮選用市場現(xiàn)有成熟產(chǎn)品峰值功率29 kW，額定功率15 kW，峰值轉矩110N·m，額定轉矩30N·m，電動機最高轉速7500r/min。變速器速比依據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品初定為7.048。
5.動力電池系統(tǒng)參數(shù)確定
動力電池系統(tǒng)的電壓范圍依據(jù)電動機和電動機控制器的電壓范圍（80～150V DC）進行匹配，同時根據(jù)車輛布置空間決定動力電池的串并聯(lián)形式；整車的續(xù)駛里程與電池的能量、驅動系統(tǒng)的效率、車輛的附件消耗等有密切的關系，為了更準確地仿真不同工況下實際續(xù)駛里程，需要考慮制動能量回收對續(xù)駛里程的影響；同時系統(tǒng)動力電池的功率必須滿足驅動電動機所需功率，而所需電池的最大放電功率取決于動力電池的電壓與最大放電電流，因此根據(jù)所選擇電動機型號的工作電壓范圍、功率參數(shù)等匹配電池功率，電池參數(shù)需滿足式（7）和式（8）。
建立車輛仿真模型
基于以上參數(shù)計算及車輛行駛方程式建立整車仿真模型，用于驗證上述部件選型是否符合指定的車輛指標。
仿真模型搭建原理即整車控制器VCU將駕駛員的油門踏板請求轉化為電動機對應的驅動力矩，經(jīng)過變速器及主減速器降速增扭之后將驅動轉矩傳遞到驅動輪來驅動車輛，同時電池需要給電動機供電能來滿足駕駛員期望的機械功率，即整車需求的機械功率需要轉化為電功率，消耗電池電量。
為保證仿真的精度，模型搭建時需要考慮VCU的控制邏輯（驅動轉矩計算、能量回收轉矩計算、轉矩仲裁模塊）和車輛附件的功率消耗，整車仿真模型包含工況輸入、VCU控制模型、車輛本體模型（電能和機械能轉換模塊、車輛動力學模型）。
結 論
通過整車模型進行動力性和經(jīng)濟性指標的仿真驗證：
續(xù)駛里程 從仿真結果上看，當匹配的動力電池電量為15kW·h時，可以實現(xiàn)NEDC續(xù)駛200km的設計要求，滿足經(jīng)濟性指標，如圖1所示。
最高車速、加速時間及最大爬坡度 從仿真結果上看，動力部件的選型結果滿足以上動力性指標：
最高車速100km/h，0～50km加速時間7.5s，最大爬坡度20%，穩(wěn)定坡道穩(wěn)定車速20km/h，如圖2和圖3所示。
結 語
通過理論計算進行動力部件參數(shù)的選擇，同步建立仿真模型進行仿真，驗證了動力系統(tǒng)部件選型的結果可以滿足設定的動力性和經(jīng)濟性指標，此方法有利于在開發(fā)初期加速和優(yōu)化產(chǎn)品的參數(shù)選型，仿真驗證選型結果和控制算法，在保證產(chǎn)品性能的前提下節(jié)約成本、縮短開發(fā)周期。
參考文獻
[1] 周飛鯤.純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配及整車控制策略研究[D].長春：吉林大學，2013.
[2] 周偉.某微型純電動汽車動力系統(tǒng)匹配設計與性能研究[D].長沙：湖南大學，2013.
[3] 鄒積勇.電動汽車控制策略研究[D].天津：天津大學，2007.
[4] 喬國艷.電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究與設計[D].武漢：武漢理工大學，2006.
來源：汽車工藝師
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