纯电动汽车动力性分析与匹配计算实例研究

纯电动汽车动力性分析与匹配计算实例研究

古毅

（重庆五一高级技工学校，重庆400042）

摘要：文章针对某款A0级车为实例进行研究，对驱动电机、动力电池的参数进行设计与匹配以及变速器的匹配设计，使整车的动力性和续驶里程满足设计要求。

关键词：动力性分析

中图分类号：U469.7 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)10-146-03

Pure electric vehicles matching performance analysis and calculation example research

Gu Yi

( May 1 senior vestibule school of chongqing, Chongqing 400042 )

Abstract: In this paper, a new class A0 car as an example, the parameters of the driving motor, power battery design and matching and the matching design of transmission, the power performance of vehicle travel distance and meet the design requirements.

Keywords: dynamic analysis

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-146-03

1、整车参数

本研究所用原型车为某A0级车，整车参数如表1所示。

表1 纯电动汽车整车主要参数

2、动力性指标

车辆行驶的动力性能可用以下四个指标来评价：最高车速、加速性能、最大爬坡度和续驶里程。该电动汽车的动力性指标如表2所示：

表2 某型纯电动汽车的动力性和续驶里程参数表

（1）最高车速：在城市区域行驶的车辆一般最高车速不大于100km/h，本文设计为95km/h。

（2）加速性能：本文取2项加速测试，0～50 km/h和50～80km/h，加速所需要的最短时间来表示。

（3）最大爬坡度：纯电动汽车的最大爬坡度一般要求大于25%，本文选择坡度为25%

（4）续驶里程：本文取行驶里程为100km。

3、电动汽车驱动力与行驶阻力特性分析

要确定电动汽车的动力性能，首先得确定电动汽车在行驶过程中的运动状况。

电动汽车的行驶方程：

（1-1）

作者简介：古毅，就职于重庆五一高级技工学校。

汽车实用技术

147 2017年第10期

式中，F t为驱动力；为行驶的阻力之和。

（1）电动汽车的驱动力

电动汽车驱动电机产生的转矩，通过传动系传递到驱动车轮，此时作用在驱动车轮上的转矩T t，产生一对地面圆周力F0，地面又对驱动车轮产生反作用力F t，F0就是驱动汽车行驶的外力，称为汽车的驱动力。

（1-2）作用于驱动车轮上的转矩为：

（1-3）驱动车轮上的转速为：

（1-4）驱动车轮上转矩和转速的关系为：

（1-5）（2）电动汽车的行驶阻力

电动汽车在水平路面上匀速行驶时，受到的阻力包括路面的滚动阻力F f，来自空气的空气阻力F w；当电动汽车在上坡行驶时受到的阻力包括重力在坡度方向的分力即坡度阻力F i；当电动汽车在加速行驶时受到的阻力还包括加速阻力F j，所以，电动汽车在行驶过程中受到的总阻力是：

（1-6）（3）电动汽车的行驶方程和驱动条件

电动汽车的动力性能不只受到驱动力的，还受到轮胎与地面附着条件的制约，此时，驱动力F t大于附着力V附，为了不使驱动车轮发生滑转，应该使汽车的驱动力F t小于或者等于地面的附着力，即：

（1-7）

4、驱动电机参数的匹配设计

电机基本参数包括额定功率，最大扭矩，调速范围等，其必须满足所有上述动力性能要求。本文选定的驱动电机类型为永磁直流无刷电机。

（1）驱动电机额定功率和峰值功率的匹配设计

根据最高车速计算时，考虑汽车在坡度为0的路面上匀速行驶，其消耗功率为：

（1-8）该式中：M——整车质量（kg）；根据《电动汽车动力性能实验方法》（GB/T18385-2005）中 3.2“电动汽车试验质量”取整备质量加180kg即为1380kg。

f——滚动阻力系数，取0.16

c——风阻系数，取0.35

A——迎风面积（m2），取2.11

U max——最大车速（km/h），取95

则电动机需求功率为：

（1-9）

式中：ηt为机械效率，取0.9

当车辆在匀速爬坡过程中还要受到坡度阻力，故其消耗的功率为：

（1-10）式中：i为坡度

u为爬坡车速；

当该车满足最大爬坡度需求，即以15km/h的速度爬上25%的坡时电机所需功率为：

（1-11）

电机的额定功率应该同时满足以上所有条件，即12

max{P,P}

P³这里P取14.02kw。考虑到车上灯光用电需求，所以取驱动电机功率为16kw。根据下式，有额定功率估计电动汽车驱动电机的峰值功率：

（1-12）式中，l为电机的过载系数，l一般取2～3。

经过上式计算，初步确定驱动电机的额定功率为16kw，电机过载系数为2.25，电机峰值功率为40kw。

（2）驱动电机额定转速和额定转矩的确定

驱动电机转速的高低会影响与电机配套的变速器和电池的选择，而且造成驱动电机的制造成本的提升。本文中将选择介于6000-10000r/min的中速电机。

驱动电机的最高转速与额定转速之间有一个比值关系，这个比值称为电机扩大恒功率区系数β，β值越大，电机在低转速时可以获得的转矩越高，高转矩有利于汽车加速和爬坡的性能，本文β值取4。

由于本文选择的是介于6000-10000r/min的中速电机。因而初步选定驱动电机的额定转速在2000r/min左右。另外，根据公式4-15可以确定功率和转矩的关系。

（1-13）（3）驱动电机额定电压的选择

根据之前确定的电机的额定功率，我们选定电机的额定电压在300V左右。因此永磁无刷驱动电机其参数如下表3所示：

表3 永磁无刷电机参数

4、电动汽车传动系速比参数设计

4.1 传动系速比的参数设计

（1）电动汽车在驱动状态下，汽车的最大驱动力必须不古毅：纯电动汽车动力性分析与匹配计算实例研究148 2017年第10期

能超过地面对汽车轮胎的附着力，确定传动系速比的上限：

（1-14）

（2）电动汽车以最大爬坡度行驶时受到的行驶阻力和驱动电机以低转速工作时输出的最大转矩，来确定传动系速比下限：

（1-15）

由于汽车在爬坡的时候受到的阻力比在平路上要大很多，因而传动比下限按照电动汽车在爬最大坡度的工况下来求。4.2 传动系变速比验证

根本文选用固定速比减速器，固定速比为8.22。

（1）电动汽车以最高车速行驶时：

电动汽车以最高车速95km/h行驶时，驱动电机的转速为：

（1-16）代入数据得n=6784r/min，此时电机的转矩为：

（1-17）代入数据得T=139.6Nm，而车轮上的驱动力F t为：

（1-18）代入数据得F t为511.5N，再由电动汽车在水平路面上匀速行驶时的平衡方程知：

（1-19）代入数据得为504.8N，此时t F F

>å，所以变速器能够满足电动汽车最高车速的要求。

（2）电动汽车爬坡时

由电动汽车在爬坡时受到的行驶阻力可得：

（1-20）根据公式4-21可以求出当爬坡度为25%时，汽车受到的行驶阻力为3238.5N，由公式4.19计算得出车轮的驱动力F t为3836.5N。此时t F F

>å，所以变速器能够满足电动汽车最大爬坡度的要求。

5、电池组的参数设计

（1）电池组的数量

所选定的电池组数量必须满足汽车行驶过程中所需最大功率的要求，即由最大功率选择蓄电池数目。所以电池组的数目为：

（1-21）（2）动力电池的电量必须满足电动汽车续驶里程，即由里程选择电池容量。

（1-22）

（1-23）式中，V ele为车速70km/h；Pele为电动汽车以时速70km/h 行驶时所需的功率；C为蓄电池的额定容量；S为70km/h匀速行驶时的续驶里程；U为蓄电池电压；soc

x取1即假设电池可以实现完全充电。计算得出C为53.83Ah。

（3）电池组电压的计算

根据计算得到的单体电池组数目为25个，每个单体电池组的电压约为12V，故总的电池组电压约为300V。

综上，经过匹配设计初步选定的电池参数如下表4所示：

表4 镍氢电池参数

Table 4.4

Parameters of the NI-MH battery

6、动力系统的匹配结果

根据电动汽车整车动力性和续驶里程的要求，对动力传动系统进行了参数设计匹配的研究，其匹配结果如下表5所示：表5 某型纯电动汽车传动系参数

参考文献

[1] 孙逢春.德国和法国电动汽车的现状和发展[J].科技潮.2004.

(08):105-108.

[2] 王芳.纯电动中型城市客车总体设计及技术研究[D].长安大学, 2008.

[3] 章超,易家玉.全球电动汽车发展迅猛[J]. 大众用电.2000. (09):83-84.

[4] 丁良旭. 汽车环境工程与电动汽车技术[J]. 汽车工业研究.2002.

(12):44-47.

[5] 邹国棠, 程明.电动汽车的新型驱动技术[M]. 机械工业出版社.2010.

[6] 林鹰.我国电动汽车不断提升水准[J].交通与运输.2009.(0l):72-73.

[7] 杨华,孙振东,刘玉光. 纯电动汽车关键技术研究[J].上海汽车.2007,

(09):10-12.

[8] 张靖.超级电容蓄电池复合电源的研究与仿真[D].武汉理工大学. 2005.

[9] 邹国棠,程明.电动汽车的新型驱动技术[M].机械工业出版社,2010.

[10] 林程,王文伟.纯电动公交客车结构与设计［J］.机械工程学报.

2005.41(12):25-29 .

[11] 林程,陈国强,孟祥等.电动大客车传动系统控制技术研究[J].北京

理工大学学报,2007,27（1）：25-28.