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纯电动汽车性能仿真与驱动电机选型分析
2020-05-28 23:28:21· 来源：北京建筑大学 作者：李言辰
本文从纯电动汽车整车系统角度出发，研究驱动电机的选型，主要通过以下性能的仿真结果作为选型依据：最高车速、最大爬坡度、整车加速时间、续航里程。旨在选型出
本文从纯电动汽车整车系统角度出发，研究驱动电机的选型，主要通过以下性能的仿真结果作为选型依据：最高车速、最大爬坡度、整车加速时间、续航里程。旨在选型出平台化的、可靠性强的纯电动车驱动电机，保证车辆安全平稳的运行的前提下，提高车辆的能量利用率，保证商用车辆经济性。
1 动力性仿真分析
1.1 最高车速仿真
最高车速是车辆在路况良好、水平的路面上正常行驶达到的最高行驶车速，也是汽车在平坦路面无风条件下，行驶阻力和驱动力平衡时的车速，是汽车动力性的三个评价指标之一。
最高车速计算公式如下：
（1）nm——电机转速（rpm）；
R——车轮滚动半径（m）；
i0——驱动后桥速比。
其中，车轮半径和后桥速比是固定的，因此车速与转速成正比，车速随着转速的增加而增加；同时，车速与空气阻力成正比，当车速增大到驱动力与阻力平衡时，此时车辆达到最高车速。
整车驱动力计算公式如下：
（2）Tq——电机转矩（N·m）；
nT ——传动效率；
滚动摩擦阻力计算公式如下：
（3）m ——车辆整备质量（kg）；
f ——滚动阻力系数。
空气阻力计算公式如下：
（4）CD——空气阻力系数；
A——汽车迎风面积（m²）。
由于车辆在平坦路面无风条件下达到最高车速，因此行驶阻力只考虑空气阻力以及滚动摩擦阻力，故阻力合力计算公式如下：
（5）根据上述公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)可列出驱动力行驶阻力平衡方程。
驱动力行驶阻力平衡方程如下：
（6）结合公式(1)、(2)、(5)、(6)，后续代入整车参数及电机电控参数（其中电机电控参数使用峰值条件下的数据），可得出整车车速分别与驱动力和行驶阻力相关的曲线，随着车速增加，驱动力逐渐下降，而行驶阻力逐渐增加，利用仿真分析软件可绘制出驱动力-行驶阻力平衡图进行最高车速仿真。
1.2 最大爬坡度仿真
纯电动汽车爬坡度，是在良好路面上克服的最大爬坡度。爬坡度是以坡脚的正切值，即坡道高度与坡道水平长度的比值的百分数来表示。
爬坡度计算公式如下：
（7）将公式(1)、(2)、(2)代入到爬坡度计算公式(7)，即可得到整车爬坡车速与爬坡度的关系，车辆以越高的车速爬坡的时候，车辆爬坡度越低。利用仿真分析软件，可绘制出爬坡度曲线图进行最大爬坡度计算。
1.3 加速时间仿真
加速时间即汽车由车速为0km/h加速到某一车速的最短时间。对于手动挡的车辆，加速时间表示从第一挡起步，用最大加速度逐步换至高挡后，到某一车速所需的最短时间。由于该纯电动商用车车型只有D档/N档/R档，所以前进过程中不存在换挡操作，只要油门踏板踩满以最大进行加速即可。
车辆加速度公式如下：
（8）Q——旋转质量转换系数。
其中，D为车辆动力因数，是汽车牵引性能的主要指标。是剩余牵引力（总牵引力减空气阻力）和汽车总重之比。此值越大，汽车的加速、爬坡和克服道路阻力的能力越大。
汽车动力因数的计算公式如下：
（9）将公式(9)代入(8)中，结合公式(2)、(4)，即可算出车辆加速度与速度之间的关系，再根据牛顿第二运动定律，即可得出整车加速时间曲线图，推算出达到相应速度的加速时间。
2 经济性仿真——续航里程
对于电动汽车和燃油车对比，电动汽车目前最大的短板就是续航里程短且续航里程补给时间长。续航里程即电动汽车在纯电模式下依靠电池电量支持行驶的最大里程。
电动汽车续航里程公式如下，
（10）Eb——电池总电量（kWh）；
Nmc——系统效率；
Nq——电池放电效率。
从公式中可以看出来，续驶里程与电池总电量、系统效率以及电池放电效率成正比关系。在电池电量一定的情况下，电机工作的转速也有着密不可分的关系。可见电池电量以及电机电控系统效率的好坏是决定车辆续航里程的重要因素。将整车技术定义中提供的电机电控系统参数代入上述公式，结合公式(1)、(2)、(5)，按照电动商用车满载条件计算，即可得出续航里程与车速之间在某个特定车速下可以使续航里程最大化，但还需要结合实际的试验方法进行后续续航里程摸底试验。
3 实际驱动电机选型案例
整车参数根据前期策划数值设定，计算所需要的公式之前已经进行过推导，输入电机一、二的驱动电机及电控参数。
3.1 最高车速（驱动力-行驶阻力平衡图及功率平衡图）
在同样的整车试验条件下，进行性能比较。
首先比较两台电机能达到的最高车速。根据电机及电控的驱动参数，结合计算公式仿真出平衡图，当驱动力与行驶阻力相等时的交点为最高车速点。
电机1的最高车速ua max=71km/h时，驱动力与行驶阻力相等。
图1 电机1的驱动力 - 行驶阻力平衡图
电机1在最高车速ua max=71km/h时，驱动力功率与行驶阻力功率相等。
图2 电机1的功率平衡图
电机2的最高车速ua max=101km/h时，驱动力与行驶阻力相等。
图3 电机2的驱动力-行驶阻力平衡图
电机2在最高车速ua max=101km/h时，驱动力功率与行驶阻力功率相等。
图4 电机2的功率平衡图
3.2 爬坡度（爬坡度曲线）
再比较两台电机能达到的最大爬坡度。根据电机及电控的驱动参数，结合计算公式仿真出爬坡度曲线图，在车速升高的情况下，爬坡度逐渐降低。
电机1在5km/h的速度下，可以达到的最大爬坡度I max= 29%。
图5 电机1的爬坡度曲线图
电机2在8km/h的速度下，可以达到的最大爬坡度I max= 13%。
图6 电机2的爬坡度曲线图
3.3 加速时间（加速度曲线）
接着在同样的载质量m=1100kg的情况下，比较搭载电机1和电机2时车辆达到50km/h的时速，所需要的时间长短。
电机1达到50km/h的速度，所需要的加速时间ta =15s。
图7 电机1的加速度曲线
电机2达到50km/h的速度，所需要的加速时间ta =17s。
图8 电机2加速度曲线
3.4 续驶里程（续驶里程曲线）
电机1所达到的续驶里程 S=131km。
图9 电机1的续驶里程曲线图
电机2所达到的续驶里程 S=138km。
图10 电机2的续驶里程曲线图
最后在同样搭载电量Eb=15.6kWh的电池，放电深度SOC=80%，载质量m=930kg，按60km/h等速法去测试的情况下，比较搭载电机1和电机2的车辆的续驶里程。
4 电机动力性计算对比分析
动力性方面：驱动电机2在最大爬坡度上不能满足设计要求；驱动电机1虽然在爬坡能力上表现优异，但最高车速较低。
表1 电机1、2搭载整车性能对比分析表
经济性方面：吨百公里耗电量（SOC=80%，Eb=15.6kWh，m=930kg），驱动电机1为10.24度，驱动电机2为9.72度，驱动电机2结果更佳。
5 结论
对于电机1，不考虑最高车速的情况下，满足设计要求；对于电机2，为满足爬坡需求，需要采用大传动比车桥满足设计要求。
通过模拟仿真分析，得出对于不同厂家输入产品在整车性能参数层面上的分析建议，由相关工程师对于结果进行分析比对，选择对应的驱动电机或者输入新的产品，继续开展研发设计工作。对于减少研发工作量，以及避免因产品定义不明确，所造成在实际装车中出现问题，重新进行产品设变，重复验证方案对于研发经费的浪费和开发周期的延误有着实际的意义。
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