某純電動車驅動電機選型及仿真分析

陳 宏，張桂連，楊 凡，黃 偉，龍詩楊

（湖南獵豹汽車股份有限公司，湖南 長沙 410100）

純電動汽車采用電機作為其驅動裝置，并應用化學蓄電池組、燃料電池組、超級電容器組和／或飛輪組為其相應的能源［1］。電機作為主要的驅動裝置，其合理選型和匹配分析對整車動力性、百公里電耗和續(xù)航里程等有重要的影響。目前，相關學者針對電機選型主要關注電機峰值特性參數(shù)和額定特性參數(shù)，如何洪文等［2］、趙強等［3-7］對電機選型主要關注電機峰值功率、峰值扭矩、最高轉速、額定功率、額定扭矩、額定轉速等參數(shù)。上述研究缺少電機效率map以及NEDC工況下電機效率工作點對百公里電耗和續(xù)航里程的綜合考慮。本文以某純電動汽車為研究對象，在動力電池、主減速器等部件確定的情況下，依據(jù)整車設計目標，利用AVL_cruise軟件搭建了整車仿真模型，分析了3種不同電機外特性曲線、效率map對整車動力性、百公里電耗及續(xù)航里程的影響，為純電動汽車電機選型及性能優(yōu)化提供了依據(jù)和支撐。

1 電機選型與匹配

電機是電動汽車行駛的動力源，電機選型除了關注峰值功率、峰值轉矩、最高轉速、額定功率、額定轉矩、額定轉速外，還需關注電機及控制器的效率map。

1.1 整車參數(shù)

本文研究的純電動汽車構型為前置前驅，電機+單級主減速器的驅動方案，其整車目標參數(shù)見表1。

表1 純電動汽車整車目標參數(shù)

1.2 電機參數(shù)確定

1.2.1 電機額定功率和峰值功率

電機作為電動汽車行駛的動力源，其功率需滿足最高車速、最大爬坡度和加速性能，同時還需考慮續(xù)航里程和能耗要求。

根據(jù)標準GB／T18385—2005《電動汽車 動力性能試驗方法》中規(guī)定及汽車行駛受力分析，其功率平衡方程式為［8］：

式中：m——汽車滿載質量，kg；m1——汽車動力性試驗質量，kg；f——滾動阻力系數(shù)；CD——風阻系數(shù)；A——迎風面積，m2；umax——最高車速，km·h-1；ηt——機械系統(tǒng)傳動效率，%；αmax——最大爬坡度，（°）；u——最大爬坡度對應的車速，km·h-1；t——加速時間，s；ut——終點加速車速，km·h-1；δ——汽車旋轉質量換算系數(shù)；P1——最高車速對應的功率，kW；P2——最大爬坡度對應的功率，kW；P3——加速時間對應的功率，kW。

根據(jù)式 （1）計算出最高車速對應的電機功率P1；式（2）計算出最大爬坡度對應的電機功率P2；式 （3）計算出0-100 km·h-1加速時間對應的電機功率P3。而電機峰值功率應該取三者中的最大值，即滿足式 （4）：

電機額定功率通常滿足最高車速對應的電機功率P1即可。

根據(jù)上式可計算出電機峰值功率≥90 kW，額定功率≥45 kW。

1.2.2 電機最高轉速和額定轉速

電機最高轉速需滿足汽車最高車速的要求，即：

式中：i0——主減速比；r——車輪半徑，mm。

電機額定轉速通常根據(jù)汽車常行駛車速來定，即常規(guī)車速定為45 km·h-1。

根據(jù)上式可計算出電機峰值轉速≥9 500 r·min-1，額定轉速≥3 500 r·min-1。

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1.2.3 電機峰值扭矩和額定扭矩電機峰值扭矩需滿足汽車最大爬坡度的要求，即：

式中：ui——爬坡對應的車速，km·h-1。

電機額定扭矩根據(jù)額定功率和額定轉速來計算。

根據(jù)上式可計算出電機峰值扭矩≥240 Nm，額定扭矩≥123 Nm。

1.2.4 電機及控制器效率

式中：Pout_m——電機輸出功率，kW；Pin_m_c——電機控制器輸入功率，kW。

目前有3款電機符合上述要求，其性能參數(shù)對比見表2。

額定電壓320 V時電機外特性曲線、峰值功率曲線如圖1、圖2所示。

表2 3款電機參數(shù)

圖1 3款電機外特性曲線

圖2 3款電機峰值功率曲線

2 電機性能對比仿真分析

從電機參數(shù)方面看，此3款電機均能滿足要求，但這還不足以判定哪款電機更適合本款純電動汽車?？蛻舫岁P注整車動力性外，更關注百公里電耗和續(xù)航里程。因此為了進一步分析哪款電機與整車匹配更好，通過cruise建立整車仿真模型，分析電機特性參數(shù)對整車動力性、百公里電耗及續(xù)航里程的影響［9］。cruise模型中電池的類型為三元鋰電，其參數(shù)按照容量150 Ah、額定電壓320 V、電量48.2 kWh設定。仿真建模見圖3。

2.1 峰值參數(shù)對整車動力性影響

圖3 cruise仿真模型

圖4 最高車速

圖5 （0-100 km·h-1）加速時間

2.1.1 最高車速

從圖4可知，驅動力與行駛阻力沒有交點，整車最高車速取決于電機峰值轉速。假定此時電池瞬時放電功率能滿足整車的要求，則電機峰值轉速越高，整車最高車速越大。3個電機的峰值轉速相同，則整車能達到的最高車速一樣，并且均能滿足最高車速設計要求。

2.1.2 加速時間

圖6 最大爬坡度

從電機峰值功率曲線可知，電機轉速低于3 440 r·min-1（對應的車速為50 km·h-1）時，3個電機功率接近，相差較小，因此0-50 km·h-1加速時間接近，仿真計算的結果為電機3和電機2加速時間為4.3 s，電機1加速時間為4.4 s。而車速由50 km·h-1到100 km·h-1，電機2的功率在基速為3 500 r·min-1功率達到峰值且進入恒功率運行區(qū)，而電機1和電機3在基速4 000 r·min-1時功率達到峰值且進入恒功率運行區(qū)。因此車速在50-100 km·h-1加速時間，電機3超車加速時間為5.6 s，電機1超車加速時間為5.7 s，而電機2超車加速時間為7.9 s。如圖5所示。由于采用單擋變速傳動，則整車的超車加速時間與電機峰值功率有較大關系，電機峰值功率越大，整車后備儲備功率越足，整車的超車加速性能更好。2.1.3 最大爬坡度

整車最大爬坡度與峰值扭矩有關，電機3峰值扭矩大于電機2，電機1峰值扭矩最小，因此3款電機最大爬坡度從大到小對應的電機依次為電機3、電機2和電機1，其最大爬坡度依次為35.5%、34.9%、34.5%。如圖6所示。

2.2 電機及控制器效率對百公里電耗及續(xù)航里程影響

純電動汽車由動力電池提供電能，經(jīng)電機控制器由直流轉換為交流，電機再把電能轉換為機械能，驅動汽車行駛。在此過程中，電機及控制器效率越高，其本身消耗的能量越小，給汽車供能更多，則行駛里程更遠。根據(jù)標準GB／T18386—2018《電動汽車 能量消耗率和續(xù)航里程試驗方法》中的要求，中國評價百公里電耗和續(xù)航里程的工況為NEDC工況，其包含4個市區(qū)工況和1個市郊工況，能夠客觀反映整車能耗及續(xù)航里程。為此在cruise模型中設置計算任務進行百公里電耗和續(xù)航里程仿真，仿真結果見表3，各電機在NEDC工況下運行工作點見圖7。

表3 續(xù)航里程及能耗

從圖7中可以看出，電機2及控制器的高效率區(qū)較寬，覆蓋面積大，且轉速范圍約為3 500～6 200 r·min-1，而電機1及控制器和電機3及控制器的最高效率區(qū)相對較窄，且轉速范圍約為5 000～7 000 r·min-1。由于NEDC工況含4個市內工況和1個市郊工況，因此，低轉速效率高則有利于整車能耗的降低，同時提高續(xù)駛里程。

圖7 各電機工作點

根據(jù)以上動力性、續(xù)航里程和能耗分析，選取電機2更適合本款車型。

3 試驗對比

為了驗證電機選型合理性及仿真模型的可行性，對純電動車進行了動力性、經(jīng)濟性試驗。仿真與試驗對比結果如表4所示。由表4可知，誤差值控制在5%以內。該結果表明，仿真指標與實車試驗結果比較吻合，誤差在可接受范圍內。

表4 動力性、經(jīng)濟性仿真與試驗結果對比

4 結束語

本文以某純電動汽車為研究對象，在動力電池、主減速器等部件確定的情況下，利用AVL_cruise軟件搭建了整車仿真模型，分析了3款電機特性對整車動力性、百公里電耗經(jīng)濟性和續(xù)航里程影響，從中選取合理的電機。

本文結果對電機選型起指導作用，電機選型除需關注電機峰值功率、峰值扭矩外，還需關注NEDC工況下電機工作點的效率，當電機工作效率越高，整車續(xù)航里程和能耗更好，除此之外，也需關注電機EMC、NVH性能。