廣告
基于動力性指標的純電動汽車電機參數(shù)設(shè)計
2020-05-24 23:39:22· 來源：浙江合眾新能源汽車有限公司 作者：張永
1 電動汽車的動力性指標《GBT 18385-2005 電動汽車動力性能試驗方法》定義了純電動汽車加速性能、最高車速與爬坡性能的試驗方法。同時也較全面定義了電動汽車的
1 電動汽車的動力性指標
《GBT 18385-2005 電動汽車動力性能試驗方法》定義了純電動汽車加速性能、最高車速與爬坡性能的試驗方法。同時也較全面定義了電動汽車的動力性指標及其細化分類。動力性能分為加速性能、最高車速、爬坡性能3類。
1.1 加速性能
加速性能是指電動汽車從速度V1，加速到速度V2，所需的最短時間。根據(jù)V1與 V2不同，我們通常關(guān)心以下3個加速性能指標：
1、0～50 km/h加速時間：主要體現(xiàn)汽車起步加速性能。
2、0～100 km/h加速時間：主要體現(xiàn)汽車常用車速區(qū)域加速性能。
3、50～80 km/h加速時間：主要體現(xiàn)汽車超車過程加速性能。
本文在設(shè)計算法中預留一個自定義加速時間。
1.2 最高車速
最高車速分為瞬時最高車速與30min最高車速。標準中只規(guī)定了30min最高車速的測試方法。但未規(guī)定汽車瞬時最高車速的試驗方法。汽車的30min最高車速不僅與電機的特性有關(guān)，還與電池的容量有關(guān)，電池必須能夠提供汽車持續(xù)行駛30min的最高車速而不出現(xiàn)電池限功率或掉電狀態(tài)。通常情況下，都不會以電池的容量極限作為設(shè)計極限。而是以電機能夠持續(xù)30min穩(wěn)定輸出功率并保持不過熱為設(shè)計條件。汽車的最高車速，則以5min最高車速的電機輸出功率為設(shè)計依據(jù)。
綜上，本文對最高車速指標的定義有兩個：
1、5min最高車速：體現(xiàn)汽車瞬時最高車速能力。
2、30min最高車速：體現(xiàn)汽車持續(xù)行駛最高車速能力。
1.3 爬坡性能
標準中定義了坡道起步能力與坡度車速。其試驗方法如下定義：
1、汽車坡道起步能力：電動汽車在坡道上能夠起動且 1min內(nèi)向上行駛至少10 m的最大坡度。表現(xiàn)了汽車的坡道起步能力。本文定義坡道起步能力使用5km/h車速下的最大爬坡能力等效。
2、坡度車速：電動汽車在給定坡度的坡道上能夠持續(xù)行駛1km以上的最高平均車速。表現(xiàn)了汽車在行駛過程中最大的爬坡性能。設(shè)計時，通常以20km/h或50km/h的車速作為最大爬坡能力的參考。
綜上所述，汽車動力性指標綜合描述如表1所示：
表1 汽車動力性指標
2 電機特性及其與各指標的關(guān)系
汽車的動力性主要與電機的外特性有關(guān)。不同的指標適應于不同的外特性。電機外特性與各指標的關(guān)系如圖1所示：
圖1 電機外特性與電動汽車各動力性指標的關(guān)系
電動汽車V1～ V2 km/h加速時間與車速對應下的轉(zhuǎn)速，修正加速性能理論線所圍成的區(qū)域面積相關(guān)。汽車瞬時最高車速與修正加速性能理論線與電機最高轉(zhuǎn)速交點相關(guān)。汽車30min最高車速，與電機允用30min過載線和電機最高轉(zhuǎn)速交點相關(guān)。汽車坡道停車起步性能與電機最大扭力相關(guān)，汽車坡道車速性能與電機允用5min過載線相關(guān)。
依據(jù)以上特性，建立量化關(guān)系，即可通過汽車最高車速、爬坡性能、加速時間這三類動力性指標設(shè)計出電機參數(shù)。
3 最高車速與爬坡性能設(shè)計
根據(jù)電機的外特性，應首先根據(jù)汽車的最高車速確定電機的最高轉(zhuǎn)速，再依據(jù)能量守恒定律建立平衡方程，直接求算出指標所對應的電機功率。最高車速指標通常只校核5min最高車速與30min最高車速。
對于爬坡性能，使用電機端力矩等效法列方程求解。最高車速與爬坡性能均存在理論解，不需要使用微分方程與插值、優(yōu)化等數(shù)學工具。最大爬坡度則通常取5km/h與50km/h兩個車速點，前者設(shè)計汽車坡道起步能力，后者設(shè)計汽車行駛過程穩(wěn)定爬坡能力。
本文中傳動系統(tǒng)傳動比iGB舉例為常數(shù)。目前來看，純電動汽車的減速器均以單速比為主。多速比情況該值視為與車速相關(guān)的函數(shù)。
在本模型中，需要知道的參數(shù)如表2所示。其中，電機自身特性的參數(shù)有：r30min， r5min， rmax， λn0；其余為車輛及傳動系統(tǒng)參數(shù)。在初步設(shè)計中，汽車的空氣阻力系數(shù)估算為：0.3～0.6，對于轎車默認取值為0.33，對于SUV或MAP外形的車默認為0.37，對于箱式物流車默認為0.45，則二次項系數(shù)為：
式中，Cw為汽車空氣阻力系數(shù)，S為汽車迎風面積，在初步設(shè)計時，迎風面積取值根據(jù)如下經(jīng)驗公式：
表2 已定汽車和動力總成部分參數(shù)
式中W為車身寬度，H為車身高度。
汽車的一次項阻力系數(shù)通常取1～3.5之間。其物理意義對應于汽車傳動系統(tǒng)的軸承、齒輪嚙合損耗，與汽車整備質(zhì)量約為正比，初步設(shè)計時估算為：
若使用傳動系統(tǒng)平均效率取值不為100%時，則該參數(shù)默認為0，若傳動系統(tǒng)平均效率取值為100%，則以上經(jīng)驗公式系數(shù)有效。
汽車的常數(shù)項系數(shù)與汽車的滾動阻力系數(shù)有關(guān)，計算公式如下：
式中，f0為汽車滾動阻力系數(shù)，與路面及車輪胎壓等因素有關(guān)，通常取值為0.01～0.02，在初步設(shè)計中，通常取值為0.012.為標準載荷，在空載與滿載設(shè)計時，則替換該參數(shù)，下同。
對于設(shè)計時汽車的標準載荷，是汽車的整備質(zhì)量與附加質(zhì)量的和。對于附加質(zhì)量，舊國標與新國標《GBT 18386-2017 電動汽車 能量消耗率和續(xù)駛里程 試驗方法》有微小的差異，詳見標準 [7]。新國標于2017年10月14日發(fā)布，于2018年5月1日起實行。對于最大設(shè)計質(zhì)量≤3.5t的乘用汽車，附加質(zhì)量為100kg。
3.1 最高車速指標設(shè)計
電機轉(zhuǎn)速剛性傳遞至輪邊，因此最高車速決定電機最大轉(zhuǎn)速。設(shè)計公式如下：
根據(jù)能量守恒法，在最高車速下電機的最大功率設(shè)計如下：
而30min最高車速一定≤最高車速。因此，對電機轉(zhuǎn)速將不再做進一步設(shè)計，只對汽車的峰值功率需求再做設(shè)計。由圖1可知，汽車在30min最高車速時，電機應滿足30min持續(xù)輸出功率線。根據(jù)能量守恒定律，該功率設(shè)計為：
3.2 爬坡能力指標設(shè)計
坡道起步性能與坡道車速指標的設(shè)計，均可以使用能量守恒公式，阻力部分分為行駛阻力與坡道力。計算公式如（8），（9）所示。注意其適用的力矩曲線不一致，所以修正系數(shù)不一樣。如圖1所示。
4 電動汽車加速指標設(shè)計
對電動汽車駕駛指標的設(shè)計，需要建立動態(tài)模型，并求解微分方程。因在恒功率段微分方程無理論解，只有數(shù)值解法，因此需要做離散求解插值分析。而該微分方程與ADVISOR等仿真軟件一樣，是通過設(shè)定已知動力系統(tǒng)參數(shù)求出t-v動態(tài)關(guān)系。因此需要最優(yōu)化工具作為設(shè)計輔助。
4.1 動力系統(tǒng)微分方程
將汽車作為研究質(zhì)點，由牛頓第二定律得：
式中，T是電機輸出最大扭力，如圖1中的修正加速性能理論線。它是關(guān)于車速v的函數(shù)，分為恒扭力段與修正恒功率段。
微分方程（10）在恒功率段不能使用理論法求解，因此使用數(shù)值解法。本文使用固定步長為0.1s的龍格-庫塔法求解。
4.2 t-v曲線插值與目標函數(shù)構(gòu)建
解得步長為0.1s的t-v曲線，對于百公里加速時間10s的汽車，若使用就近原則，則誤差為0.05/10=0.5%,若提高精度，可以將步長減少到0.01s或0.001s，但實際證明，步長增大很影響計算速度，且其精度不如使用線性插值方式接近。因此本文使用步長0.1s，結(jié)合插值法使用。
汽車加速性能曲線t-v是單調(diào)遞增的，因此每個電機峰值功率對應一組加速時間。該函數(shù)命名為P m ax2 tv1-v2
則構(gòu)建目標函數(shù)：
4.3 使用單純形法優(yōu)化求解
對于不同車速加速度段指標，在式（13）中設(shè)置v1，v2即可。本文基于（13）式設(shè)計電機的不同指標功率有如下4項：P 0～ 50， P 50 ～80，P 0～ 100， P v1 ～v2。
該最優(yōu)化問題只有 待優(yōu)化參數(shù)，因此使用二分法、最速下降法、單純形優(yōu)化法等優(yōu)化工具都是可行的。本文發(fā)現(xiàn)使用單純形法解該問題速度更快，且MATLAB中自帶該函數(shù)。因此本文選擇使用單純形法求解該優(yōu)化問題。
5 設(shè)計實例
通過最高車速、加速性能、爬坡性能三類指標的設(shè)計，可以看出電機的最大轉(zhuǎn)速僅與汽車最高設(shè)計速度有關(guān)，而電機峰值功率則與各指標均相關(guān)。因此對于電機功率設(shè)計是冗余設(shè)計，取滿足最苛刻指標的功率。
重新依據(jù)公式（1）～（12）逆向計算出真實指標與目標指標的偏差，作為指標達成度。達成度越大的指標說明初始指標定義過高；達成度越小的指標為100%，說明該指標是當前定義的所有指標中動力系統(tǒng)最難以達成的指標。
5.1 已知參數(shù)
純電動汽車設(shè)計階段，首先根據(jù)市場調(diào)研結(jié)果對車身參數(shù)與動力性指標進行初步定義。表1所示舉例為某車型的市場調(diào)研階段定義的動力性能指標，表2所示舉例為該車型整車及動力總成已知參數(shù)?；谝陨瞎皆贛ATLAB中編制設(shè)計程序，設(shè)計結(jié)果如下。
5.2 設(shè)計結(jié)果
經(jīng)過設(shè)計，被測電機的最高轉(zhuǎn)速為8900rpm，峰值功率為57kW，峰值扭力為155Nm。設(shè)計MAP如圖2所示?？蛰d，標準載荷，滿載的動力性參數(shù)對比如表3所示：
圖2 電機MAP及其外特性設(shè)計結(jié)果
6 結(jié)論
電動汽車動力性指標與驅(qū)動電機參數(shù)的關(guān)系研究具有冗余設(shè)計的特點。將設(shè)計指標定義全面，各指標設(shè)計求算更合理，才能獲得更高精度的設(shè)計結(jié)果。本文總結(jié)了電動汽車的加速性能指標、爬坡性能指標、最高車速指標，并研究了各類指標的設(shè)計方法。實踐證明，該方法有效可靠，應用于電機選型設(shè)計階段。當電機選型確定并在市場上找到對應的電機供應商以后，為下一步汽車動力性經(jīng)濟性仿真開發(fā)工作提供更精確的電機參數(shù)。
表3 設(shè)計結(jié)果
廣告 編輯推薦
最新資訊
-
“汽車爬坡試驗方法”將有國家標準
2026-03-03 12:44
-
十年耐久監(jiān)管時代：電池系統(tǒng)開發(fā)策略將如何
2026-03-03 12:44
-
聯(lián)合國法規(guī)R59對機動車備用消聲系統(tǒng)的工程
2026-03-03 12:08
-
聯(lián)合國法規(guī)R58對后下部防護裝置的工程化約
2026-03-03 12:07
-
聯(lián)合國法規(guī)R57對摩托車前照燈配光性能的工
2026-03-03 12:07
