纯电动汽车动力系统参数匹配及性能分析
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纯电动汽车动力系统参数匹配及 性能分析
研究的背景
• 众所周知，当今社会已经成为了“轮子上的社会”，人类越来越 依赖于各种各样的交通工具。其中，汽车无疑是应用最广泛， 人类依赖程度最高的交通方式。
• 但是面对巨大保有量的燃烧化石燃料的汽车，人类社会面临着 越来越大的资源和环境的双重压力。
• 面对这种局面，新能源汽车的研发越发被人们所重视，世界各 汽车大国都开展了自己的新能源汽车的研究。各种新能源汽车 中，电动汽车以其独特的零污染、零排放、低噪声特征，吸引 了众多研究者的目光。
符号 A r η m
参数名 迎风面积，m2 车轮半径，m
效率 满载质量，kg
数值 1.8 0.238 90% 800
What do we want?
• 传动系方案的确定。 • 传动系参数的确定。 • 动力性表现，是否符合设计要求。 • 为什么？
• 传动系方案的确定。
What do we do?
• 一般来说电动汽车的传动系有两种方案：差速半轴方案（单电 机方案）；电动轮方案（多电机方案，轮毂电机方案）。
• 所以，本文选择差速半轴方案作为某型电动汽车的传动系方案。
Байду номын сангаас
传动比计算 （1） 类比其他车型，选择i=6.3作为减速器减速比。
（2） 通过最大车速时的转矩平衡方程、最大转矩方程、最大爬 坡度爬坡时的转矩平衡方程，可以确定i=6.3是可行的。
i0
Fmax r T 'max
传动比计算
最大车速时的转矩平衡方程
i0
0.377 nmax vmax
r
最大车速方程
i0
Fa max r
2 Tmax
最大爬坡度爬坡时的转矩平衡方程
电机参数计算与电机选配 • (1) 动力系统的额定功率必须满足车辆以最高车速行驶； • (2) 动力系统必须满足车辆加速性的要求； • (3) 动力系统必须满足车辆以最大爬坡度爬坡的要求； • (4) 动力系统必须满足车辆以额定转矩在常规车速行驶的要求； • (5) 根据汽车的动力性指标选择最适合的驱动电机。
— 循环工况实验； — 爬坡工况实验； — 加速工况实验；
实验的仿真
仿真结果：加速度、速度、距离—时间曲线
该型电动汽车的最大速度符合设计要求， 加速性能不符合要求。
仿真结果：爬坡度—速度曲线
该型电动汽车爬坡能力不符合设计要求。
表6 Cruise仿真结果
项目名称 最大速度,km/h
爬坡度 45km/h加速时间，s
循环寿命
适应环境
自放电率（月） 单体电池重量
160Ah
充电 放电 （80DOD%） (70DOD%) 充电 放电
≤3%
4.25V 2.5V ≥3000次 ≥5000次 -45~85℃ -45~85℃
5.6kg±100g
Cruise仿真模型建立
电机模型的建立
电池模型的建立
• 本文涉及三个ECE标准下的 仿真实验：
0 du
0 Ft Fw Ff
加速时间校核公式
电机参数 峰值转矩，N·m 额定转矩，N·m 额定功率，kw
额定电压，V 最大转速, rpm
电机参数
数值 70 32 5 80 4000
电池参数的确定
• 经过和其他车型的类比及计算，我们选择了市场上的某款锂铁 动力电池。
项目名称 标称容量 工作电压
续驶里程,km
数值 52.5 13.4% 17.6 141.33
仿真结果
是否合格 合格 不合格 不合格
转矩，N·m
电机分析
转速，r/min
总结和展望
•由上面的图线可知，本款电机只能达到最大车速要 求。但其无法满足其他动力性设计要求。 •通过对该款电机的台架试验数据分析，我们认为产 生这样情况的原因是，电机性能参数和我们计算出来 的参数要求差距过大。 •进一步研究发现，即使是牺牲最大车速（增大减速 比），爬坡和加速性能也无法达到要求。 •而且通过对台架实验曲线的分析，可发现该电机的 高扭转速区间占整个转速区间的比例太小，加大了电 机匹配的难度。
电机参数计算与电机选配
Pe 1 (G f ua G i ua )
3600 3600
根据最大速度计算最大功率
Ttq
(m
g
sin m g ig i 0
cos )
r
根据最大爬坡度计算最大转矩
T 9554 P n
根据额定功率计算额定转矩
t u ( dt ) du u M du
传动系匹配思路
获得动力性要 求和部分数据
选择传动系方案
研究思路
计算动力系统参 数，选配电机
制作实车
合格
仿真，并进行 结果分析
不 合 格
建立仿真模型 优化匹配参数
名称 加速性要求 爬坡性要求 最高时速
What do we have?
要求 45km/h加速时间小于10s
20%的爬坡度 不小于50km/h
研究的目的
• 在掌握某型电动汽车动力性要求，以及部分参数后，运用汽车 理论及其他相关知识，计算获得： (1) 传动比； (2) 电机参数； (3) 电池参数。
• 在获得计算结果后，对电机、电池等部件进行选配。运用 Cruise软件，在计算机环境下建立该型电动汽车的仿真模型， 进行仿真实验，获得仿真实验数据。分析实验结果，判断选配 的电机、电池是否能够满足电动汽车动力性设计要求。
• 差速半轴方案和传统汽车的传动方式较为类似。不过由于某些 电动汽车可以做的比较轻巧，以及电机的外特性特征，某些电 动汽车可以取消多挡变速装置。
• 电动轮方案相对于传统汽车来说，是革命性的。电机直接和车 轮耦合，或者通过轮边减速器和车轮耦合。取消了机械差速装 置，而采取电子差速。其可以给电动汽车的动力性、通过性等 表现带来巨大的改变。
研究的意义
• 面对人类社会对于汽车的依赖，以及越来越严重的资源和环境 压力，新能源汽车无疑是解决这一矛盾的利器。而电动汽车以 其零排放、零污染、低噪声的特点，将新能源汽车的优势发挥 到了极致。发展电动汽车必然能够为我国汽车工业的崛起起到 深远的影响。
• 笔者认为电动汽车的发展是汽车工业必然需求。对于电动汽车 的研发，计算机的应用必然要起到更重要的作用。计算机仿真 技术是计算机技术在汽车设计领域的重要应用，以及更加广泛 的影响。
差速半轴方案
电动轮方案
传动系的选择 • 很显然，电动轮方案的控制要比差速半轴方案复杂太多。而且
诸如电子差速技术、电池管理技术、电气系统在内的诸多核心 技术没有被很好的解决。
• 从市场因素考虑，差速半轴方案和传统汽车差别不大，零部件 易于采购，控制策略也很简单，易于被市场接受。
• 从实际情况来看，世界上绝大多数的电动汽车都是采用差速半 轴方案的传动系。
研究的背景
• 众所周知，当今社会已经成为了“轮子上的社会”，人类越来越 依赖于各种各样的交通工具。其中，汽车无疑是应用最广泛， 人类依赖程度最高的交通方式。
• 但是面对巨大保有量的燃烧化石燃料的汽车，人类社会面临着 越来越大的资源和环境的双重压力。
• 面对这种局面，新能源汽车的研发越发被人们所重视，世界各 汽车大国都开展了自己的新能源汽车的研究。各种新能源汽车 中，电动汽车以其独特的零污染、零排放、低噪声特征，吸引 了众多研究者的目光。
符号 A r η m
参数名 迎风面积，m2 车轮半径，m
效率 满载质量，kg
数值 1.8 0.238 90% 800
What do we want?
• 传动系方案的确定。 • 传动系参数的确定。 • 动力性表现，是否符合设计要求。 • 为什么？
• 传动系方案的确定。
What do we do?
• 一般来说电动汽车的传动系有两种方案：差速半轴方案（单电 机方案）；电动轮方案（多电机方案，轮毂电机方案）。
• 所以，本文选择差速半轴方案作为某型电动汽车的传动系方案。
Байду номын сангаас
传动比计算 （1） 类比其他车型，选择i=6.3作为减速器减速比。
（2） 通过最大车速时的转矩平衡方程、最大转矩方程、最大爬 坡度爬坡时的转矩平衡方程，可以确定i=6.3是可行的。
i0
Fmax r T 'max
传动比计算
最大车速时的转矩平衡方程
i0
0.377 nmax vmax
r
最大车速方程
i0
Fa max r
2 Tmax
最大爬坡度爬坡时的转矩平衡方程
电机参数计算与电机选配 • (1) 动力系统的额定功率必须满足车辆以最高车速行驶； • (2) 动力系统必须满足车辆加速性的要求； • (3) 动力系统必须满足车辆以最大爬坡度爬坡的要求； • (4) 动力系统必须满足车辆以额定转矩在常规车速行驶的要求； • (5) 根据汽车的动力性指标选择最适合的驱动电机。
— 循环工况实验； — 爬坡工况实验； — 加速工况实验；
实验的仿真
仿真结果：加速度、速度、距离—时间曲线
该型电动汽车的最大速度符合设计要求， 加速性能不符合要求。
仿真结果：爬坡度—速度曲线
该型电动汽车爬坡能力不符合设计要求。
表6 Cruise仿真结果
项目名称 最大速度,km/h
爬坡度 45km/h加速时间，s
循环寿命
适应环境
自放电率（月） 单体电池重量
160Ah
充电 放电 （80DOD%） (70DOD%) 充电 放电
≤3%
4.25V 2.5V ≥3000次 ≥5000次 -45~85℃ -45~85℃
5.6kg±100g
Cruise仿真模型建立
电机模型的建立
电池模型的建立
• 本文涉及三个ECE标准下的 仿真实验：
0 du
0 Ft Fw Ff
加速时间校核公式
电机参数 峰值转矩，N·m 额定转矩，N·m 额定功率，kw
额定电压，V 最大转速, rpm
电机参数
数值 70 32 5 80 4000
电池参数的确定
• 经过和其他车型的类比及计算，我们选择了市场上的某款锂铁 动力电池。
项目名称 标称容量 工作电压
续驶里程,km
数值 52.5 13.4% 17.6 141.33
仿真结果
是否合格 合格 不合格 不合格
转矩，N·m
电机分析
转速，r/min
总结和展望
•由上面的图线可知，本款电机只能达到最大车速要 求。但其无法满足其他动力性设计要求。 •通过对该款电机的台架试验数据分析，我们认为产 生这样情况的原因是，电机性能参数和我们计算出来 的参数要求差距过大。 •进一步研究发现，即使是牺牲最大车速（增大减速 比），爬坡和加速性能也无法达到要求。 •而且通过对台架实验曲线的分析，可发现该电机的 高扭转速区间占整个转速区间的比例太小，加大了电 机匹配的难度。
电机参数计算与电机选配
Pe 1 (G f ua G i ua )
3600 3600
根据最大速度计算最大功率
Ttq
(m
g
sin m g ig i 0
cos )
r
根据最大爬坡度计算最大转矩
T 9554 P n
根据额定功率计算额定转矩
t u ( dt ) du u M du
传动系匹配思路
获得动力性要 求和部分数据
选择传动系方案
研究思路
计算动力系统参 数，选配电机
制作实车
合格
仿真，并进行 结果分析
不 合 格
建立仿真模型 优化匹配参数
名称 加速性要求 爬坡性要求 最高时速
What do we have?
要求 45km/h加速时间小于10s
20%的爬坡度 不小于50km/h
研究的目的
• 在掌握某型电动汽车动力性要求，以及部分参数后，运用汽车 理论及其他相关知识，计算获得： (1) 传动比； (2) 电机参数； (3) 电池参数。
• 在获得计算结果后，对电机、电池等部件进行选配。运用 Cruise软件，在计算机环境下建立该型电动汽车的仿真模型， 进行仿真实验，获得仿真实验数据。分析实验结果，判断选配 的电机、电池是否能够满足电动汽车动力性设计要求。
• 差速半轴方案和传统汽车的传动方式较为类似。不过由于某些 电动汽车可以做的比较轻巧，以及电机的外特性特征，某些电 动汽车可以取消多挡变速装置。
• 电动轮方案相对于传统汽车来说，是革命性的。电机直接和车 轮耦合，或者通过轮边减速器和车轮耦合。取消了机械差速装 置，而采取电子差速。其可以给电动汽车的动力性、通过性等 表现带来巨大的改变。
研究的意义
• 面对人类社会对于汽车的依赖，以及越来越严重的资源和环境 压力，新能源汽车无疑是解决这一矛盾的利器。而电动汽车以 其零排放、零污染、低噪声的特点，将新能源汽车的优势发挥 到了极致。发展电动汽车必然能够为我国汽车工业的崛起起到 深远的影响。
• 笔者认为电动汽车的发展是汽车工业必然需求。对于电动汽车 的研发，计算机的应用必然要起到更重要的作用。计算机仿真 技术是计算机技术在汽车设计领域的重要应用，以及更加广泛 的影响。
差速半轴方案
电动轮方案
传动系的选择 • 很显然，电动轮方案的控制要比差速半轴方案复杂太多。而且
诸如电子差速技术、电池管理技术、电气系统在内的诸多核心 技术没有被很好的解决。
• 从市场因素考虑，差速半轴方案和传统汽车差别不大，零部件 易于采购，控制策略也很简单，易于被市场接受。
• 从实际情况来看，世界上绝大多数的电动汽车都是采用差速半 轴方案的传动系。