纯电动汽车计算技术

——纯电动汽车仿真ADVISOR纯电动汽车车动力系参数匹配

电动汽车的动力系统主要包括电动机、动力电池、传动系和控制系统四部分。电动汽车动力匹配的任务是在满足整车动力性能要求的基础上合理选择动力总成中各部件参数，降低改装成本和提高续驶里程。1、电动机的参数匹配

电动机是纯电动汽车的唯一动力源，其性能与电动汽车整车性能密切相关，因此，对电动机的选择及参数匹配是研究设计纯电动汽车动力系统的关键之一。为了高性能地驱动电动汽车，驱动电机在性能上须达到一定的要求，通常要求驱动电机能够频繁起动／停车、加速／减速，转矩控制的动态性能要求高；在低速或爬坡时，转矩要高，而在高速行驶时，转矩要低；其次，驱动电机的的调速范围要宽，既要工作在恒转矩区，又要运行在恒功率区，同时在整个调速范围内还得保持较高的运行效率。1.1驱动电机类型的选择适用于电动汽车的电动机可分为两大类，即有换向器电动机和无换向器电动机。前者表示它们通常有换向器组件，而后者则无换向器组件。主要有以下几种电机类型；有换向器的直流电动机；无换向器直流电动机中的感应电动机、永磁电机、开关磁阻电动机。纯电动汽车的电动机应有较高的转矩／惯量比，尽可能宽的高效率区和良好的转矩转速特性。在目前所用的电动机驱动系统中，直流电机虽然具有良好的控制特性，但由于其自身固有的缺陷，在电动汽车中用的越来越少。采用鼠笼式感应电动机结构简单，运行可靠，大量应用在电动汽车中，但功率密度和效率一般。开关磁阻电机结构更为简单，效率、转矩惯量比也较高，但由于力矩波动及噪声过大，在电动汽车上用得还不普遍。永磁无刷电动机系统具有最高的效率、转矩惯量比，在电动汽车中得到了较广泛的应用。1.2电动机峰值功率及额定功率的匹配1.电动汽车动力系统参数匹配的基本原则电动机的功率直接影响整车的动力性。电动机功率越大，电动汽车的后备功率也越大，加速性和最大爬坡度越好，同时也会增加电动机的体积和质量，正常行驶时电动机不能在高效率区附近工作，降低了车辆的续驶里程。因此，设计时通常依照电动汽车的最高车速vmax(km/h)、初速度v0、末速度v，加速时间丁(秒)和最大爬坡度lmax(%)来确定电动机的功率。

首先，根据最高车速vmax(km/h)确定的最大功率为；式中为传动系总效率，f为滚动阻力系数，为空气阻力系数，A为迎风面积（）其次，根据最大爬坡度确定最大功率：式中最大爬坡角最后，根据加速性能来确定最大功率：汽车起步加速过程可根据经验公式表示为：

式中x为拟合系数，一般取0.5左右；Vm和Tm分别为车辆的加速时间（S）和车辆的末速度(km/h)。1-21-3假设车辆在平直路面上加速，根据车辆加速过程的动力学方程，其瞬态过程总功率为：=1-4其中Pall为加速过程总功率（kw）由加速功率Pj、滚动阻尼功率Pf与空气阻力功率Pw组成；dt为设计过程的迭代步长，单位秒，为满足计算精度要求，步长通常取为0.1秒。

车辆在加速过程的末时刻，点击输出最大功率，因此，加速过程最大功率要求Pall-max为：

1-5Pall-max=Pmax3=根据上述由动力性三项指标计算各自最大功率，动力源总功率P必须满足上述所有的设计要求，即：

1-6将整车参数代入上述公式并按照整车动力性要求，计算得到电动机的峰值功率，计算过程如下：整车通过改型为电动客车后，质量估算：

1-7即，新车质量＝原车整备质量－发动机质量－变速器质量－发动机附件质量+电池质量+电机质量+乘员质量。估算电动机、电池和乘客等质量后，计算得到veh_mass。

首先将不同的车速值代入式（1-1），得到最高车速与电动机最大功率需求的关系曲线。再根据性能指标最高车速，进而得到Pmax1。其次将不同的坡度值代入式（1-2），并假设车速vi，计算得到车辆最大爬坡度与电动机功率需求的关系曲线。再根据最大爬坡度要求、车速，最终得到Pmax2。最后将不同的加速时间与加速末速度代入式（1-5），计算得到车辆加速性能与电动机功率需求的三维关系曲线。考虑一定的电动机后备功率（约20%），计算得Pmax3。

综合考虑上述动力性指标（最高车速、最大爬坡度和加速性）要求，根据式（1-6）确定电动机峰值功率为

电动机的额定功率可根据峰值功率由下式求出：（1-8）

式中Pmax——电机峰值功率；P额——电机额定功率；λ——电机过载系数。（电动机过载系数λ一般取为2～3）1.3电动动机机额额定定转转速速及及最最高高转转速速的的选选择择电动动机机的的最最高高转转速速对对电电动动机机成成本本、、制制造造工工艺艺和和传传动动系系尺尺寸寸有有很很大大的的影影响响。。转转速速在在6000r/min以上上的的为为高高速速电电机机，，以以下下为为普普通通电电机机。。前前者者成成本本高高、、制制造造工工艺艺复复杂杂而而且且对对配配套套使使用用的的轴轴承承、、齿齿轮轮等等有有特特殊殊要要求求，，一一般般适适用用于于电电动动轿轿车车或或100kw以上上大大功功率率驱驱动动电电机机，，很很少少在在纯纯电电动动客客车车上上使使用用。。因因此此应应采采用用最最高高转转速速不不大大于于6000r/min的低低速速电电机机。。电动动机机最最高高转转速速与与额额定定转转速速的的比比值值也也称称为为电电机机扩扩大大恒恒功功率率区区系系数数β，随随β值的的增增大大，，电电动动机机可可在在低低转转速速区区获获得得较较大大的的转转矩矩，，有有利利于于提提高高车车辆辆的的加加速速和和爬爬坡坡性性能能。。但但β值的的过过多多增增加加会会导导致致电电动动机机工工作作电电流流的的增增大大，，增增大大了了逆逆变变器器的的功功率率损损耗耗和和尺尺寸寸。。因因此此β值一一般般取取2～4，计计算算出出电电动动机机额额定定转转速速应应该该在在1500～3000r/min之间间选选取取。。注意意事事项项：对对经经常常启启动动、、制制动动和和反反转转的的生生产产机机械械，，选选择择额额定定转转速速时时则则应应主主要要考考虑虑缩缩短短启启、、制制动动时时间间以以提提高高生生产产率率。。启启、、制制动动时时间间的的长长、、短短主主要要取取决决于于电电动动机机的的飞飞轮轮矩矩和和额额定定转转速速，，应应选选择择较较小小的的飞飞轮轮矩矩和和额额定定转转速速。。从从电电动动机机制制造造角角度度讲讲，，同同样样功功率率的的电电动动机机若若额额定定转转速速越越高高，，其其电电磁磁转转矩矩外外形形尺尺寸寸就就愈愈小小，，成成本本就就愈愈低低且且重重量量亦亦轻轻，，并并且且高高速速电电机机的的功功率率因因数数及及效效率率比比低低速速电电机机都都高高。。若若能能选选择择转转速速愈愈高高的的电电动动机机，，则则经经济济性性愈愈好好，，但但若若由由此此而而引引起起电电动动机机与与被被拖拖动动机机械械间间的的转转速速相相差差过过大大时时，，所所需需装装设设减减速速装装置置的的传传动动级级数数就就越越多多，，这这就就会会加加大大设设备备成成本本及及传传动动的的能能量量损损耗耗。。1.4电动动机机额额定定电电压压的的选选择择电动动机机额额定定电电压压的的选选择择与与电电动动汽汽车车动动力力电电池池组组电电压压密密切切相相关关。。在在相相同同输输出出功功率率条条件件下下，，电电池池组组电电压压高高则则电电流流小小，，对对导导线线和和开开关关等等电电器器元元件件要要求求较较低低，，但但较较高高的的电电压压需需要要数数量量较较多多的的单单体体电电池池串串联联，，引引起起成成本本及及整整车车质质量量的的增增加加和和动动力力性性的的下下降降并并且且难难于于布布置置。。电电动动机机额额定定电电压压一一般般由由所所选选取取的的电电动动机机的的参参数数决决定定，，并并与与电电动动机机额额定定功功率率成成正正比比，，电电动动机机的的额额定定电电压压越越高高电电动动机机的的额额定定功功率率越越大大。。考考虑虑上上述述结结果果确确定定电电动动机机的的额额定定电电压压范范围围为为300～350V。由于于电电动动汽汽车车在在行行驶驶过过程程中中所所遇遇到到的的阻阻力力随随车车速速的的变变化化而而变变化化，，变变化化范范围围很很宽宽，，单单靠靠电电动动机机的的力力矩矩变变化化无无法法满满足足电电动动汽汽车车的的行行驶驶性性能能要要求求。。为为了了满满足足电电动动汽汽车车的的行行驶驶性性能能，，同同时时也也使使驱驱动动电电机机经经常常保保持持在在高高效效率率的的工工作作范范围围内内工工作作以以减减轻轻驱驱动动电电机机和和动动力力电电池池组组的的负负荷荷，，电电动动汽汽车车在在电电动动机机和和驱驱动动轮轮之之间间需需要要安安装装减减速速器器和和变变速速器器。。2传动动系系的的参参数数匹匹配配2.1主要要参参数数的的匹匹配配电动动汽汽车车的的传传动动系系参参数数匹匹配配设设计计主主要要包包括括变变速速器器的的匹匹配配设设计计和和主主减减速速器器的的匹匹配配设设计计。。在在电电动动机机输输出出特特性性一一定定时时，，传传动动系系传传动动比比的的选选择择主主要要取取决决于于电电动动汽汽车车的的动动力力性性要要求求，，即即最最大大传传动动比比取取决决于于整整车车的的最最大大爬爬坡坡度度，，最最小小速速比比取取决决于于整整车车的的最最高高车车速速。（1）最最大大传传动动比比的的选选择择传动动系系最最大大传传动动比比是是变变速速器器最最低低档档速速比比与与主主减减速速器器速速比比的的乘乘积积，，由由电电动动机机的的峰峰值值转转矩矩和和车车辆辆最最大大爬爬坡坡度度决决定定。。2-1式中中r为车车轮轮滚滚动动半半径径，，为为车车辆辆最最大大爬爬坡坡角角，，f为滚滚动动阻阻力力系系数数，，为为最最大大驱驱动动力力矩矩，，为为传传动动系系总总效效率率，，代代入入表表2-1中数数值值计计算算得得。（2）最最小小传传动动比比的的选选择择传动动系系最最小小传传动动比比是是变变速速器器最最高高档档速速比比与主主减减速速器器速速比比的乘乘积积，，由由电电动动机机的的最最高高转转速速和和车车辆辆最最高高车车速速决决定定。。随着着电电动动机机及及其其控控制制器器技技术术的的发发展展，，高高转转速速、、宽宽调调速速范范围围技技术术得得以以实实现现。。电电动动汽汽车车要要求求电电动动机机既既能能在在恒恒转转速速区区提提供供较较高高的的瞬瞬时时转转矩矩，，又又能能在在恒恒功功率率区区提提供供较较高高的的转转速速。。2-23动力电池池的参数数匹配动力电池池系统是是整车的的能量源源，为整整车提供供驱动电电能。电电池系统统的体积积、形状状和技术术参数影影响电动动汽车的的行驶性性能，是是电动汽汽车最重重要的子子系统之之一。电电动汽车车动力电电池系统统的参数数匹配主主要包括括电池类类型的选选择、电电池组电电压和能能量的选选择3.1动力电池池的匹配配原则电动汽车车要求动动力电池池系统具具有较高高的比能能量和比比功率，，以满足足汽车的的续驶里里程和动动力性的的要求，，同时也也希望动动力电池池系统具具有与汽汽车使用用寿命相相当的充充放电循循环寿命命，拥有有高效率率、良好好的性价价比以及及免维护护特性。。具体要要求如下下：在电动汽汽车上，，电池系系统是一一项关键键核心的的部件。。特别是是在纯电电动汽车车上，蓄蓄电池作作为惟一一的动力力源而尤尤为重要要。出于于实际运运行的需需要，电电动汽车车对电池池性能提提出了一一定的要要求，主主要包括括：(1)能量密度度高，以以提高运运行效率率和续航航里程；；(2)输出功率率密度高高，以满满足驾驶驶性能要要求；(3)工作温度度范围宽宽广，以以满足夏夏季高温温和冬季季低温的的运运行需要要；(4)循环寿命命长，保保证电池池的使用用年限和和行驶总总里程；；(5)无记忆效效应，以以满足车车辆在使使用的时时候常处处于非完完全全放电状状态下充充电需要要；(6)自放电率率小，满满足车辆辆较长时时间的搁搁置需求求；此外，还还要求电电池安全全性好、、可靠性性高以及及可循环环利用等等。动力电池池是纯电电动汽车车最主要要的能量量源，其其性能直直接影响响整车动动力性，，是电动动汽车发发展的关关键技术术。其性性能指标标主要包包括比能能量、能能量密度度、比功功率、功功率密度度、循环环充放电电次数及及成本等等。其中中锂离子子电池的的高能量量和充放放电速度度快等优优越性能能得到越越来越多多的关注注，是目目前市场场前景最最好的一一种产品品。动力电池池系统的的电压等等级要与与电动机机电压等等级相一一致且满满足电动动机电压压变化的的要求。。由于电电动空调调、电动动真空泵泵和电动动转向助助力泵等等附件的的功率消消耗，所所以电池池组的总总电压要要大于电电动机的的额定电电压。3.1.1其他具体体要求动力电池池一般有有能量型型与功率率型两种种，为满满足纯电电动汽车车的行驶驶，要求求采用能能量型电电池，匹匹配时主主要考查查其能量量要求，，即电池池应具有有较大的的容量，，以增加加车辆的的续驶里里程。电电池容量量与其功功率成正正比，容容量越大大，其输输出的功功率大，，所以其其输出功功率均能能满足整整车电力力系统的的要求，，因此主主要是根根据其续续驶里程程来确定定电池容容量，并并且确定定的电池池容量还还须符合合市场现现有产品品的标准准，并通通过对现现有产品品反复验验证进行行设计。。当前，电电动车辆辆可选用用的动力力电池主主要包括括铅酸电电池、镍镍镉电池池、镍氢氢电池和和锂离子子电池。。其中，铅铅酸电池池大电流流放电性性能良好好、安全全性好、、价格低低廉以及及材料资资源丰富富等优点点。但其其质量比比能量和和体积比比能量值值都较小小，严重重制约其其在电动动汽车领领域的应应用。镍镍镉电池池具有很很好的充充放电倍倍率特性性，但其其具有记记忆效应应、含重重金属存存在环境境污染等等问题。。镍氢电电池虽然然具有充充放电倍倍率大、、无环境境污染隐隐患、无无记忆效效应等优优点，但但是镍氢氢不宜并并联使用用、工作作电压低低。而锂锂电池具具有工作作电压高高、比能能量和比比体积大大、自放放电率低低、无记记忆效应应、充放放电效率率高、循循环寿命命长和无无污染性性等优点点。锂电电池的能能量密度度大；单单体电池池的平均均电压为为3.6V，使电池池故障概概率减小小，大大大延长了了电池组组的寿命命。自推推出以后后，锂电电池便以以其优良良的性能能得到人人们的广广泛认可可、技术术上也获获得较大大的发展展，被认认为是新新一代电电动汽车车理想的的动力源源。3.2各大动力力电池的的优缺点动力电池池的主要要性能指指标是评评价动力力电池性性能的关关键参数数，同时时也是电电动汽车车动力电电池选型型时的首首要依据据。一般般动力电电池的主主要性能能指标包包括：(1)质量比功功率(W／Kg)：电池的的质量比比功率代代表每千千克质量量的电池池能提供供的功率率。它的的大小决决定电池池所能输输出的最最大功率率，标志志着汽车车的加速速性能和和最高车车速，对对电动汽汽车的动动力性能能等有直直接影响响。在纯纯电动汽汽车中，，电池的的比功率率是最关关键的因因素；(2)质量比能能量(Wh/kg)：代表每每公斤质质量的电电池能提提供多大大能量，，能够表表明纯电电动汽车车的续驶驶能力。。3.3动力电池池的主要要性能参参数(3)循环寿命命：动力力电池的的工作是是一个不不断电．．放电．．充电．．放电的的循环过过程，每每充电和和放电一一次，动动力电池池中的化化学物质质就要发发生一次次可逆性性的化学学反应。。随着充充电和放放电次数数的增加加，动力力电池中中的化学学活性物物质会发发生老化化，逐渐渐削弱其其化学功功能，降降低动力力电池的的充电和和放电的的效率，，最后部部分或完完全丧失失其充电电和放电电功能。。动力电电池的工工作循环环次数是是衡量动动力电池池寿命的的重要指指标，它它标志着着使用的的经济性性和方便便性。(4)价格成本本：电池池的成本本与电池池的新技技术含量量、材料料、制作作方法和和生产规规模有关关，代表表使用的的经济性性。目前前新开发发的高比比功率的的动力电电池成本本较高。。3.4动力电池池的主要要技术参参数1电压电压是电电池实际际可以直直接测量量的最基基本的物物理量之之一，是是电池性性能评价价和使用用的重要要指标。。电池实实际可以以在线测测量到的的电压是是电池的的两个极极柱上的的电位差差，又称称为电池池的端电电压或外外电压(U。)。电池的的端电压压等于电电池内部部所有部部分的电电压和，，即：：式中，““+”表示充电电时刻，，“一’’’表示示放电时时刻。其其中，正正负极集集流体、、电解液液、隔膜膜、SEI膜等呈现现纯阻性性，所以以这部分分可以合合并在一一起，称称为欧姆姆压降。。正负极极标准电电位合并并到一起起称为电电池的电电动势，，与与电池内内部的反反应状态态有关系系，反应应了电池池的荷电电状态。。电池的的正负极极过电压压合并到到一起称称为电池池的极化化电压。容量电池的容量是是指一定的放放电条件下，，可以从电池池获得的电量量。分为理论论容量、实际际容量和额定定容量。其中中，活性物质质的理论容量量为为：其中，n为成流反应的的得失电子数数；mo为活性物质完完全反应的质质量；M为活性物质的的摩尔质量。。实际容量C为在一定的放放电条件下，，电池实际能能放出的电量量，计算公式式为：采用恒流放电电的时候，。。额定定容量是指设计和制制造电池的时时候，规定和和保证电池在在一定放电条条件下，所能能放出的最低低限度的电量量。3荷电状态(SOC)荷电状态SOC(State-Of-Charge)是用来描述电电池的剩余电电量的参数，，是指电池的的剩余电量和和最大可可用电量之之比，，即：当电池充满电电的时候，SOC=1，电池放完电电的时候，SOC=0。当电