丁舟波，李 彬，李晨旭，張君浩

（中原工學院，河南 鄭州450007）

純電動汽車動力匹配及校驗仿真

丁舟波，李 彬，李晨旭，張君浩

（中原工學院，河南 鄭州450007）

以某款純電動汽車為例，根據(jù)其基本技術(shù)參數(shù)和設(shè)計要求，建立數(shù)學模型并對該車的電機和電池進行參數(shù)匹配，利用MATLAB對其動力性進行仿真分析，結(jié)果表明，動力參數(shù)匹配合理，滿足純電動汽車動力性要求。

MATLAB；純電動汽車；參數(shù)匹配；仿真分析

0 引言

汽車動力性是汽車各種性能中最基本、最重要的性能[1]。所以，研究純電動汽車的動力性對于其車輛性能有著重要的意義，而動力參數(shù)的合理匹配又對于提高純電動汽車動力性起到關(guān)鍵作用。本文根據(jù)現(xiàn)有的某純電動車電機和電池數(shù)據(jù)進行參數(shù)匹配研究，提高純電動汽車動力性。

1 純電動汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 純電動汽車的組成及主要參數(shù)

電動汽車的動力系統(tǒng)主要由四個部分組成，即電動機、動力電池、傳動系以及控制系統(tǒng)[2]。表1為參考的純電動汽車的主要參數(shù)。

表1 純電動汽車的整車主要參數(shù)

1.2 純電動汽車動力性能要求

車輛動力性的三大指標分別是最高車速、加速時間以及最大爬坡度，所以主要按照這三個方面得到純電動汽車的設(shè)計要求如表2所示。

表2 設(shè)計要求

2 純電動汽車動力參數(shù)匹配

2.1 驅(qū)動電機匹配

城市電動汽車經(jīng)常出現(xiàn)停車、加減速和爬坡等過程，所以電動汽車的電機往往不在額定的工作狀態(tài)，它對轉(zhuǎn)矩的動態(tài)要求很高。因此，不僅需要依據(jù)電機持續(xù)功率，而且需要獲取電機的最大轉(zhuǎn)矩、最大功率以及最大轉(zhuǎn)速。

2.1.1 電機轉(zhuǎn)矩

電機最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)該滿足最大爬坡度的設(shè)計要求，所以當汽車用一檔以最大爬坡度要求爬坡時，速度為15 km/h，不存在加速阻力，故應(yīng)該滿足公式：

2.1.2 電機功率

電機功率一般分為瞬時功率（即最大功率）和持續(xù)功率（即額定功率）。

首先以滿足最高穩(wěn)定行駛車速來確定最大額定功率，經(jīng)單位換算后得到汽車功率平衡方程式：

其中Pemax為最大額定功率，umax為汽車穩(wěn)定行駛的最高速度。求得Pe≥8.94 kW.

當車輛達到設(shè)計要求的最大速度時，車輛的最大額定功率也可以確定下來[3]。

然后根據(jù)汽車爬坡度來確定其最大功率，故有公式：

其中Pmax1為電機所需的最大功率，由以上公式求得Pmax1≥17.75 kW.

2.1.3 電機轉(zhuǎn)速

電動汽車以最大速度行駛的工況對應(yīng)的是電機的最大轉(zhuǎn)速，所以有公式：

式中np為電機的最大轉(zhuǎn)速，求得np≥5 006.52 rpm，同時如果代入常規(guī)車速，取值35 km/h可以得到電機的額定轉(zhuǎn)速為nm=2 190.35 rpm.

結(jié)合上述結(jié)論確定電機參數(shù)如表3所示。

表3 電機基本參數(shù)

2.2 電動汽車電池的匹配

2.2.1 電池類型的選擇

電池技術(shù)是電動汽車的瓶頸，所以選擇合適的電池類型對于汽車而言尤為重要[4]，綜合考慮整車的性能和成本等各項因素后，選用鋰離子電池最為合適。

2.2.2 電池參數(shù)匹配

首先計算出電池的實際能量W實（kW/h）：

其中Ue指電池組的平均電壓（V）；C指單體電池的容量（Ah）.

然后計算出電動汽車所需要消耗的能量W需，先假設(shè)汽車正常行駛速度ve以40 km/h勻速行駛，計算出所需功率P需，有：

得到電動汽車行駛里程s所需的能量W需必須滿足W實≥ W需.

最后，由上述條件可以算出純電動汽車的巡航里程s為：s＝Ue×C×ξ×Ve/P需.

其中ξ為電池的有效放電容量，取0.8.所以勻速下續(xù)航里程按照150 km計算的話，選擇電池組電壓為336 V，則由此公式計算出電池容量C＝39.4 Ah，所以初步確定電池組的總電壓為336 V，容量為50 Ah.前面忽略了附件的功率消耗，相關(guān)資料表明電動汽車附件的能量消耗大約占整車能量的15%左右，所以真正所需要的能量還應(yīng)該除以85%，在與電池的實際能量作比較。計算得W實＝16.8 kW，W需/85%=12.47 kW，滿足設(shè)計要求。

所以選擇電池參數(shù)如表4所示。

表4 磷酸鐵鋰電池主要參數(shù)

3 動力參數(shù)匹配結(jié)果驗證

根據(jù)上述計算結(jié)論，并根據(jù)汽車理論知識，利用動力因子對車輛動力性進行評價。建立純電動汽車的仿真模型，進而對純電動車的動力性能，即最高車速、加速時間以及爬坡度進行結(jié)果驗證。

3.1 加速時間驗證

根據(jù)已知的驅(qū)動電機的外特性、傳動系統(tǒng)的效率以及整車的基本參數(shù)，通過簡單的數(shù)學計算，可以得到汽車速度0～80 km/h的加速時間：

其中，v1為加速測試時對應(yīng)的初始車速，取值為0；v2為加速測試時對應(yīng)的末速度，取值22.22 m/s；Tp（v）代表電機的外特性轉(zhuǎn)矩。通過MATLAB計算模型得到結(jié)果如下。

由圖1可知汽車速度從0～80 km/h的加速度時間為21.42 s.

圖1 加速性能的仿真計算模型

3.2 爬坡度和最高車速的驗證

依據(jù)已知的電機外特性數(shù)據(jù)和整車參數(shù)，利用MATLAB軟件將其編寫成m文件并運行程序，然后將離散的數(shù)據(jù)點擬合整理得到驅(qū)動力行駛阻力平衡圖和車速爬坡度曲線（如圖2、圖3）.

圖2 驅(qū)動力行駛阻力平衡圖

圖3 車速爬坡度曲線

圖2 中間的斜線表示電機作用在車輪上的驅(qū)動力，其余的5條線表示車輛分別在0、10%、20%、30%、40%的爬坡度的條件下所對應(yīng)的行駛阻力。由圖2可知，當i為零時，即車輛在平坦的路面行駛，行駛阻力曲線與驅(qū)動力曲線是沒有交點的，此時車輛的最高車速由電機的最大轉(zhuǎn)速決定。因此，當電機轉(zhuǎn)速為6 000 rpm時，計算得到對應(yīng)的最高車速為95.875 km/h.由圖3可知，當下車速為15 km/h時，對應(yīng)的最大爬坡度24.26%.

由表5可以看出，純電動汽車的動力系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計滿足整車動力性的指標要求，同時也驗證了文中所匹配的參數(shù)與設(shè)計方法的可行性[5]。

表5 整車動力性能指標驗證結(jié)果

4 結(jié)束語

以某款純電動汽車為例，根據(jù)其動力性能要求，對其機電傳動系統(tǒng)進行匹配計算，并驗證了其可行性，該純電動車傳動系統(tǒng)匹配方法對整車模型的搭建與系統(tǒng)工程的實現(xiàn)具有理論指導(dǎo)意義。

[1]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009：7-8.

[2]李夏楠.純電動汽車動力參數(shù)優(yōu)化方法仿真研究[D].武漢：武漢理工大學，2013.

[3]James T，Darren B.The Lotus Range Extender Engine[J].SAE，2010（1）：25-30.

[4]郭自強.電動車電池的發(fā)展現(xiàn)狀[J].電池工業(yè)，2008（1）：55-59.

[5]何小明.電動汽車動力蓄電池系統(tǒng)仿真及其管理系統(tǒng)的研究[D].上海：上海交通大學，2004.

Power Matching and Calibration Simulation of Pure ElectricVehicle

DING Zhou-bo，LI Bin，LI Chen-xu，ZHANG Jun-hao
（Zhongyuan University of Technology，Zhenzhou 450007，China）

Taking a pure electric vehicle as an example，according to the requirements of the basic technical parameters and design，establish mathematical model and matching of the car’s motor and battery parameters，using MATLAB simulation analysis，the dynamic performance results show that the reasonable matching of the dynamic parameters，to meet the requirements of electric vehicle.

MATLAB；pure electric vehicle；parameter matching；simulation analysis

U469.72

A

1672-545X（2017）10-0006-03

2017-07-30

河南省高等學校重點科研項目計劃（17B120003）

丁舟波（1974-），男，浙江舟山人，講師，博士，主要研究方向為新能源汽車及電池SOC分析。