薛涛，申荣卫，丁栋厚

（天津职业技术师范大学 汽车与交通学院，天津 300222）

前言

随着中国汽车保有量的逐年增加，近年来，全球面临石油资源紧缺，同时传统汽车工业的高速发展，所带来的资源消耗和空气污染两大问题日益严重[1]。新能源汽车的大力推广逐渐取得到了大众认同，混合动力汽车和纯电动汽车二者很好的解决了上述问题，从而达到节能减排的目标。电子控制技术日益成熟化，广泛应用在各大汽车部件。纯电动汽车相比于传统燃油车，驱动系统简单化、易操作性。目前，国际行业以及汽车企业发展规划，许多汽车产业已经确定停止生产燃油车时间表，发展开发纯电动汽车产业已经成为一项趋势，尤其是其所具有零排放和稳定性的优势更是占据了大部分主流汽车市场。纯电动汽车中相比传统燃油车结构较简化，动力电池作为储能装置，驱动电机带动车辆行驶。驱动电机的参数的合理选择可以决定汽车的动力性能的表现，在开发和仿真纯电动汽车进程中，动力系统参数的理论计算设计过程发挥着重要作用。

1 动力系统设计指标

评价汽车的动力性能，纯电动汽车与传统燃油汽车一样，主要通过最高车速、加速时间、最大爬坡度三个方面来测试[2]。三个测试方面主要取决于动力系统的各部件性能的发挥，三者数据合理匹配决定设计方案的合理与否。参考现有纯电动汽车设计国标要求，本文确定的纯电动汽车动力性指标如表1所示。

表1 某型纯电动汽车部分整车参数

本文选择某公司生产的纯电动汽车作为所仿真测试的样本，如表2所示，以此为原型建立ADVISOR仿真模型，通过仿真测试，分析其动力性能参数是否达到设计指标的要求。

表2 某型纯电动汽车基本技术参数

2 电机参数的确定

驱动电动机是纯电动汽车最为核心部件，其电动机作为车辆动力的全部来源，而且电机输出功率的分配对纯电动汽车动力性有着直接影响。根据汽车的动力性指标选择最适合的驱动电机，电动机功率的选择决定其动力性能的表现。电动机功率小于最小动力需求，车辆在爬坡与加速行驶时，电机无法给车辆提供足够功率，车辆的动力性能往往达不到设计要求，与此同时电动机会经常处于满载工况甚至过载工况，若长时间处于该环境下，电动机的耐用性会下降；另一方面匹配电动机功率远大于动力需求，此时车辆的加速与爬坡性能可以得到充分发挥。但是在满足纯电动汽车动力性提前下，电动机经常欠载运行，降低了电动机效率和动力电池使用率，对动力电池很大一部分能量造成了消耗，也对车辆整体的经济性造成了下降。设计原则：动力系统必须满足测试车辆动力性能的三个参数，动力系统的额定功率必须满足车辆以最高车速行驶，动力系统必须满足车辆加速性的要求,动力系统必须满足车辆以最大爬坡度爬坡的要求，动力系统必须满足车辆以额定转矩在额定车速行驶的要求[3]。

2.1 根据最高设计车速vmax确定电机最大功率Pmax1

确定汽车的动力性，就是确定汽车沿行驶方向的运动特性。掌握沿汽车行驶方向作用于汽车的各种外力[4]。行驶阻力通常包括轮胎滚动阻力，空气阻力，坡度阻力和加速阻力组成，根据牛顿第二定律，汽车行驶方程为：

式中，Ft为驱动力；∑F为行驶阻力之和。

式中，Ttq为电机转矩；io为主减速器传动比；ig为变速器传动比；η—整车动力传动系统效率；G为作用于汽车上的重力；f为车轮的滚动阻力系数；i为坡度值；CD为空气阻力系数；A为汽车的迎风面积；ua为汽车车速；δ为汽车旋转质量换算系数，δ＞1；du/dt为行驶加速度；m为汽车满载质量。

当汽车以最高车速vmax匀速行驶时，电机所需提供的功率为：

式中：η为整车动力传动系统效率；m为汽车满载质量；g为重力加速度；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为电动汽车的迎风面积。

2.2 根据稳定车速驶过20%坡度所确定电机的最大功率Pmax2

将坡度转化为角度：α=tan-1(i)。

选择爬坡度为设计指标，此时爬坡度为20%，行驶速度以2525km/h稳定行驶时所需的电机峰值功率为：

2.3 根据加速性能所确定电机的最大功率Pmax3

纯电动汽车在测试加速性能时，选择爬坡度为0，即在水平路面上，加速行驶所需功率：

在进行对整车总功率理论计算时，主要是确定加速末速度vt和加速时间T，二者为设计提供了理论依据。对于动力性三项指标计算的各自最大功率，动力源总功率Pm必须满足以下公式，即

3 电机参数的选型

通过理论计算可以初步确定电机相关参数，通过选择电机额定功率和峰值功率可以计算出电机额定转速和扭矩以及最大转速和扭矩。根据以上设计指标和理论计算，并且参照汽车市场以及相关国标数据，确定驱动电机参数如表3。

选择电机类型时，根据已知理论计算所得电机参数。综合各方面因素考虑，选用永磁同步电机，该电机类型具有功率因数高的优势，在电机运转过程中，能维持高效率运转，从而保障汽车行驶中的动力需求。结构设计的轻量化、运转过程中相比其他类型电机运转平稳以及产生的热量少等特点，得到了较为普遍的应用。在纯电动汽车动力系统匹配过程中，该电机承载较大，在汽车行驶中能保障起步和加速时扭矩的稳定输出[5]。

表3 电动机参数

4 典型工况的仿真

ADVISOR是由美国可再生能源实验室NREL在MAT-LAB和SIMULINK软件环境下开发的高级车辆仿真软件[6]。软件中有众多测试循环工况可以选择，根据各个工况的数据特点，选择CYC_NEDC工况欧洲循环工况，我国汽车测试多采用CYC_NEDC工况。CYC_NEDC该工况相关参数如表4所示：

表4 CYC_NEDC该工况相关参数

4.1 整车参数和仿真参数输入

在MATLAB中运行ADVISOR软件，在主界面和m文件中输入设计参数，如图1所示。

图1 参数输入界面

主界面可以输入以上相关理论计算所得到的电机参数，整车参数参考设计指标。ADVISOR程序中有比较完整的纯电动汽车各部分仿真模型，对比理论计算各部分数据，参照其模型搭建出设计目标所要求整车数据模型框架。动力电池方面，选择配备ESS_NIMH60_OVONIC电池模型，该类型为磷酸铁锰锂电池。与其他类型电池材料比较，电池寿命持久和密度大等优势得到了广泛应用[7]。

4.2 仿真运行结果

通过运行ADVISOR仿真程序，可以得出以下参数图像。ADVISOR仿真功能丰富，可以同时仿真测试多种不同参数。本文主要测试汽车的动力性指标，主要测试电机、动力电池等数据。

图2 车速-时间曲线图

图3 电池SOC-时间曲线图

图4 电机输出扭矩-时间曲线图

图5 加速与爬坡测试数据

由图2车速与时间的变化曲线可以看出，汽车在行车当中，速度变化比较频繁，包括怠速、起步、加速、制动等行驶状态。此变化曲线和CYC_NEDC循环工况参数较符合。图3电池SOC-时间曲线图变化规律，汽车行驶过程中，当行驶时间增加，电池的荷电状态SOC随时间逐渐下降，但变化中曲线有轻微的上浮动，说明汽车在制动时，能量的回收起到作用。图4驱动电机输出转矩随汽车的行驶时间变化趋势，转矩变化从曲线可以看出，转矩的正负值反映出电机的运行状态。

从图5仿真数据结果：车辆从0-100km/h加速时间为12.1s，60-100km/h加速时间为7.4s；汽车行驶最大速度为120km/h；汽车在稳定车速下行驶，当车速为25km/h环境下测试，可以稳定通过的最大爬坡度为22.8%；三项汽车动力性评价指标均满足设计他要求，证明设计所计算的理论数据均具有可行性。

5 结论

建模仿真是汽车开发的一项重要的基础步骤，ADVISOR软件集合了建模与仿真功能，在研发纯电动汽车时，提供了验证设计方案的合理性， 可有效减少研发周期和成本。在已有纯电动汽车部分参数和设计目标范围作为出发点，初步运用理论公式计算电机的主要参数，合理选择ADVISOR软件中满足设计参数动力电池模块，选用和驱动电机合理匹配的动力电池模快。搭建完成整车设计框架，综合仿真结果的各项数据显示，此设计方案在满足纯电动汽车设计目标。完成对整车动力性仿真，可以作为下一步进行优化设计的一项重要基础。