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純電動汽車動力匹配及仿真計算
2019-08-27 14:29:28· 來源：EDC電驅(qū)未來
純電動汽車是以車載電源為動力，用電機驅(qū)動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)等各項要求的車輛。隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，傳統(tǒng)燃油車在給人類生活帶來極大便利的同
純電動汽車是以車載電源為動力，用電機驅(qū)動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)等各項要求的車輛。隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，傳統(tǒng)燃油車在給人類生活帶來極大便利的同時，也帶來了嚴重的環(huán)境污染及能源危機。由于對環(huán)境影響相對傳統(tǒng)汽車較小，出于對環(huán)境保護和能源危機的關(guān)注以及占領(lǐng)未來世界汽車市場的考慮，電動汽車的發(fā)展越來越受到人們的重視。
1.動力系統(tǒng)設(shè)計需求
對純電動汽車進行運動力學(xué)特性分析是整車性能研究的基礎(chǔ)。從力學(xué)角度分析，運動中的車輛收到的力按作用類型可分為兩部分：一部分用來實現(xiàn)汽車有效動能和勢能的作用力，成為驅(qū)動力；另一部分是阻礙車輛運動的阻力，包括滾動阻力、空氣阻力、坡道阻力和加速阻力。本文所分析的車輛，其動力性能指標見表1。
表1 動力性指標
2.電動機參數(shù)匹配
動力性和經(jīng)濟性是純電動汽車的基本性能需求，純電動汽車動力性指標主要有最高車速、加速時間、最大爬坡度等，其性能指標體現(xiàn)了純電動汽車在行駛過程中能達到的極限運動水平。結(jié)合整車的參數(shù)，由此來決定驅(qū)動電機的最大扭矩、額定功率、最大功率、最大轉(zhuǎn)速等參數(shù)。經(jīng)濟性則反應(yīng)了純電動汽車行駛過程中的能耗水平，主要是電能的消耗。
與傳統(tǒng)汽車在行駛過程中受力一樣，純電動汽車在行駛過程中有滾動阻力Ff、空氣阻力Fw、加速阻力Fj 和坡度阻力Fi。在行駛中，驅(qū)動力需克服上述阻力。電動汽車的驅(qū)動力Ft 由驅(qū)動電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T tq 經(jīng)傳動系統(tǒng)傳動到驅(qū)動輪上。汽車行駛方程為：
其中，汽車總質(zhì)量m=1825kg，車輪半徑r=0.33m，風(fēng)阻系數(shù)Cd=0.35，滾動阻力系數(shù)f=0.014，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)δ=1.29，迎風(fēng)面積A=2.7 m2，重力加速度g=9.8，傳動比i=7.8，電機效率η d=0.95，機械傳動效率ηc=0.98。
一般來說，電動汽車整車動力性指標中，最高車速對應(yīng)的是持續(xù)工作區(qū)，即電動機的額定功率；而最大爬坡度和全力加速時間對應(yīng)的是短時工作區(qū)，即電動機的峰值功率。由式（1）轉(zhuǎn)化為功率平衡方程為：
仿真結(jié)果表明，本文所設(shè)計選擇的驅(qū)動電機及動力電池滿足使用要求。文章為電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計、動力性能分析提供了一種有效的方法，也為后續(xù)的實踐工作奠定了一定的基礎(chǔ)。
電機的峰值功率應(yīng)該滿足汽車以最低穩(wěn)定速度爬坡所需功率及以最大加速度行駛所需功率，最大爬坡度是指滿載時在良好路面上用最低檔克服的最大坡度。
爬坡功率有：
加速功率有
峰值功率需滿足：
電機的峰值扭矩應(yīng)滿足汽車以最低穩(wěn)定速度行駛時所能爬的最大坡度所需的扭矩，即：
電動機的最大轉(zhuǎn)速應(yīng)能滿足汽車以最高車速行駛時所需的轉(zhuǎn)速，汽車速度與電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：
，通過換算，得：
帶入相關(guān)參數(shù)通過以上計算，選擇永磁同步電機，其參數(shù)為：額定功率30kW，最大功率60kW，額定扭矩120N·m，最大扭矩240N·m，最大轉(zhuǎn)速8000rpm。
3.動力電池匹配
純電動汽車在行駛過程中所需的能量完全來自于動力電池，所以要求動力電池具有與汽車使用壽命相當?shù)某浞烹娧h(huán)壽命，擁有高效率、良好的性價比以及免維護特性。動力電池參數(shù)的匹配主要考慮電池組的容量、電壓、能量密度、電池類型等。由于電動汽車DCDC、電動空調(diào)、電動轉(zhuǎn)向助力泵、電動真空泵等附件也要消耗一定的電能，所以電池組的總電壓要大于驅(qū)動電機的額定電壓；電池組的容量取決于電動汽車的續(xù)駛里程，電池組的容量越大，電動汽車續(xù)駛里程越長。
根據(jù)設(shè)計需求，動力電池需保證汽車等速（60km/h）行駛405km。勻速行駛時，汽車需求功率為：
汽車等速（60km/h）行駛405km，用時為6.75h，因此電池總能量為50kwh。選擇鋰離子電池，考慮儲備能量，確定電池組的參數(shù)為：動力電池系統(tǒng)電壓302V，總?cè)萘?83Ah，總能量55.3kWh。
4.汽車動力性校核
4.1 電機性能校核
在MATLAB 環(huán)境下編程得到額定工況下的各車速情況下驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖、最大爬坡曲線圖、加速度倒數(shù)曲線圖，分別如圖1至圖3所示。從圖1中可以清楚地看出不同車速時驅(qū)動力和行駛阻力之間的關(guān)系。驅(qū)動力和行駛阻力曲線的交點對應(yīng)的速度即為最大車速，從圖中可知汽車最大行駛速度大于設(shè)計需求速度。從圖中還可以看出，當車速低于最高車速時，驅(qū)動力大于行駛阻力，這樣汽車就可以利用剩余驅(qū)動力加速或爬坡。從圖2中可以看出不同車速時汽車的爬坡能力，最大爬坡能力大于設(shè)計要求的爬坡能力。圖3中速度與加速度倒數(shù)的曲線圖包圍的面積值即為加速時間，通過計算面積，0～50km/h（13.89m/s）加速時間為5.3s，滿足開發(fā)要求。
圖1
圖2
圖3
4.2 續(xù)駛里程校核
根據(jù)GB/T18386-2017《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》中的相關(guān)要求，采用NEDC 來進行續(xù)駛里程的測試。在MATLAB 下建立仿真模型，應(yīng)用NEDC 循環(huán)工況進行仿真計算。結(jié)果如表2，通過計算結(jié)果可知，動力電池滿足設(shè)計所需續(xù)航里程。
表2
5.結(jié)論
平行移動式卡線器結(jié)構(gòu)如圖1所示。本體與下夾嘴采用銷軸連接固定，上夾嘴、壓板、拉板及拉環(huán)依次使用銷軸連接組成連桿機構(gòu)。
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