纯电动汽车计算技术(1)

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。
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
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
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
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。
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；
2
max
式中最大爬坡角
imax arctan 100
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：
t 2 v vm ( ) tm
1-3
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) 。
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：
Fra Baidu bibliotek
1.4
电动机额定电压的选择
电动机额定电压的选择与电动汽车动力电池组电压密切相关。 在相同输出功率条件下，电池组电压高则电流小，对导线和开 关等电器元件要求较低，但较高的电压需要数量较多的单体电 池串联，引起成本及整车质量的增加和动力性的下降并且难于 布置。 电动机额定电压一般由所选取的电动机的参数决定，并 与电动机额定功率成正比，电动机的额定电压越高电动机的额 定功率越大。考虑上述结果确定电动机的额定电压范围为 300～350V。
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。
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，大大延长了电池组的寿命。自推出以后，锂电池便 以其优良的性能得到人们的广泛认可、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。
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。
3.1 动力电池的匹配原则
电动汽车要求动力电池系统具有较高的比能量和 比功率，以满足汽车的续驶里程和动力性的要求，同 时也希望动力电池系统具有与汽车使用寿命相当的充 放电循环寿命，拥有高效率、良好的性价比以及免维 护特性。具体要求如下：
在电动汽车上，电池系统是一项关键核心的部件。 特别是在纯电动汽车上，蓄电池作为惟一的动力源而尤 为重要。出于实际运行的需要，电动汽车对电池性能提 出了一定的要求，主要包括： (1)能量密度高，以提高运行效率和续航里程； (2)输出功率密度高，以满足驾驶性能要求； (3)工作温度范围宽广，以满足夏季高温和冬季低温的 运行需要； (4)循环寿命长，保证电池的使用年限和行驶总里程； (5)无记忆效应，以满足车辆在使用的时候常处于非完 全放电状态下充电需要； (6)自放电率小，满足车辆较长时间的搁置需求； 此外，还要求电池安全性好、可靠性高以及可循环利用 等。
——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。
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
1.1 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。
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。
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
pmax max( pmax1, pmax2, pmax3 )
电动机的额定功率可根据峰值功率由下式求出：
P额
Pmax

（1-8 ）
式中 Pm ax——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 ）
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。
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。
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。