纯电动汽车计算技术(1)

注意事项： 对经常启动、制动和反转的生产机械，选 择额定转速时则应主要考虑缩短启、制动时间以提高生产率。 启、制动时间的长、短主要取决于电动机的飞轮矩和额定转 速，应选择较小的飞轮矩和额定转速。从电动机制造角度讲， 同样功率的电动机若额定转速越高，其电磁转矩外形尺寸就 愈小，成本就愈低且重量亦轻，并且高速电机的功率因数及 效率比低速电机都高。若能选择转速愈高的电动机，则经济 性愈好，但若由此而引起电动机与被拖动机械间的转速相差 过大时，所需装设减速装置的传动级数就越多，这就会加大 设备成本及传动的能量损耗。
P all Pj Pf P w
=
d 1 C A 3 ( m v v m g f v D V ) 3600t dt 21.15
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。
2.1 主要参数的匹配
电动汽车的传动系参数匹配设计主要包括变速器的 匹配设计和主减速器的匹配设计。在电动机输出特性一 定时，传动系传动比的选择主要取决于电动汽车的动力 性要求，即最大传动比取决于整车的最大爬坡度，最小 速比取决于整车的最高车速。 （1）最大传动比的选择 传动系最大传动比 imax 是变速器最低档速比 ig1 与主减速器速比 io 的乘积，由电动机的峰值转矩 和车辆最大爬坡度决定。
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：
vm vm 1 CD A v 3 m Pall-max=Pmax3= ( m m g f tm tm ) 1-5 3600 tm t dt 1.5 21.15 2.5
2
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：
pmax max(pmax1, pmax2, pmax3 )
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：
Mev =Mcon Mfc Macc Mgb +Mess Mmc Mpasgr
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 。
2 传动系的参数匹配
由于电动汽车在行驶过程中所遇到的阻力随车速的变 化而变化，变化范围很宽，单靠电动机的力矩变化无法满 足电动汽车的行驶性能要求。为了满足电动汽车的行驶性 能，同时也使驱动电机经常保持在高效率的工作范围内工 作以减轻驱动电机和动力电池组的负荷，电动汽车在电动 机和驱动轮之间需要安装减速器和变速器。
——纯电动 汽车仿真
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。
T
Pmax1
vmax CD A vmax 2 （m g f+ ） 3600 t 21.15
(1-1)
CD为空气阻力 式中为 t 传动系总效率，f为滚动阻力系数， 系数，A为迎风面积（ m2 ）
其次，根据最大爬坡度确定最大功率：
C A Vi vi pmax2 (m g f cos max m g f sin max D ） 1-2 3600t 22.15
3.2 各大动力电池的优缺点
当前，电动车辆可选用的动力电池主要包括铅酸电池、镍镉 电池、镍氢电池和锂离子电池。 其中，铅酸电池大电流放电性能良好、安全性好、价格低廉 以及材料资源丰富等优点。但其质量比能量和体积比能量值都 较小，严重制约其在电动汽车领域的应用。镍镉电池具有很好 的充放电倍率特性，但其具有记忆效应、含重金属存在环境污 染等问题。镍氢电池虽然具有充放电倍率大、无环境污染隐患、 无记忆效应等优点，但是镍氢不宜并联使用、工作电压低。而 锂电池具有工作电压高、比能量和比体积大、自放电率低、无 记忆效应、充放电效率高、循环寿命长和无污染性等优点。锂 电池的能量密度大；单体电池的平均电压为3.6V，使电池故障 概率减小人们的广泛认可、技术上也获得较大的发 展，被认为是新一代电动汽车理想的动力源。
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。
动力电池一般有能量型与功率型两种，为满足纯电动汽 车的行驶，要求采用能量型电池，匹配时主要考查其能量 要求，即电池应具有较大的容量，以增加车辆的续驶里程。 电池容量与其功率成正比，容量越大，其输出的功率大， 所以其输出功率均能满足整车电力系统的要求，因此主要 是根据其续驶里程来确定电池容量，并且确定的电池容量 还须符合市场现有产品的标准，并通过对现有产品反复验 证进行设计。
imin
nmax r 0.3768 vmax
2-2
随着电动机及其控制器技术的发展，高转速、宽调速范围 技术得以实现。电动汽车要求电动机既能在恒转速区提供较高 的瞬时转矩，又能在恒功率区提供较高的转速。
3 动力电池的参数匹配
动力电池系统是整车的能量源，为整车提供驱动电能。 电池系统的体积、形状和技术参数影响电动汽车的行驶性能， 是电动汽车最重要的子系统之一。电动汽车动力电池系统的 参数匹配主要包括电池类型的选择、电池组电压和能量的选 择
3.1.1 其他具体要求
动力电池是纯电动汽车最主要的能量源，其性能直接影响 整车动力性，是电动汽车发展的关键技术。其性能指标主要包 括比能量、能量密度、比功率、功率密度、循环充放电次数及 成本等。其中锂离子电池的高能量和充放电速度快等优越性能 得到越来越多的关注，是目前市场前景最好的一种产品。 动力电池系统的电压等级要与电动机电压等级相一致且满 足电动机电压变化的要求。由于电动空调、电动真空泵和电动 转向助力泵等附件的功率消耗，所以电池组的总电压要大于电 动机的额定电压。
G ( f cos max sin max )r ig1io TmaxT
2-1
式中 r 为车轮滚动半径， max 为车辆最大爬坡角，f 为滚动 T 为传动系总效率，代入表 Tmax 为最大驱动力矩， 阻力系数， 2-1 中数值计算得 ig 1io 。
（2）最小传动比的选择 传动系最小传动比 imin 是变速器最高档速比 igmax 与主减速器 速比 io 的乘积，由电动机的最高转速和车辆最高车速决定。
1.3 电动机额定转速及最高转速的选择
电动机的最高转速对电动机成本、制造工艺和传动系 尺寸有很大的影响。转速在 6000r/min 以上的为高速电机， 以下为普通电机。前者成本高、制造工艺复杂而且对配套 使用的轴承、齿轮等有特殊要求，一般适用于电动轿车或 100kw 以上大功率驱动电机，很少在纯电动客车上使用。 因此应采用最高转速不大于 6000r/min 的低速电机。 电动机最高转速与额定转速的比值也称为电机扩大恒功 率区系数 β，随β 值的增大，电动机可在低转速区获得较 大的转矩，有利于提高车辆的加速和爬坡性能。但 β 值的 过多增加会导致电动机工作电流的增大，增大了逆变器的 功率损耗和尺寸。因此 β 值一般取 2～4，计算出电动机 额定转速应该在 1500～3000r/min 之间选取。
m2
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；