一、新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)參數(shù)匹配及優(yōu)化

為了提高純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性設(shè)計(jì)指標(biāo)，研究了純電動(dòng)汽車(chē)電控參數(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，電機(jī)系統(tǒng)和電池系統(tǒng)參數(shù)匹配選擇的基本原則和整車(chē)控制策略，并利用ADVISOR軟件對(duì)所匹配出的動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行 仿真優(yōu)化驗(yàn)證，最終使 "電池+電機(jī)+電控"三電系統(tǒng)集成達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，從而提高了電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能。同時(shí)也為純電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)初期的 動(dòng)力參數(shù)選型匹配提供了基本數(shù)據(jù)。

近年來(lái)，隨著大氣污染的日益嚴(yán)重、全球石油資源供應(yīng)緊張及環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，純電動(dòng)汽車(chē)越來(lái)越受到人們的青睞。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)替代傳統(tǒng)汽車(chē)的關(guān)鍵是純電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)動(dòng)力性是否滿(mǎn)足人們的需要。 解決整車(chē)動(dòng)力性能的關(guān)鍵因素在于如何實(shí)現(xiàn)電池質(zhì)量小且儲(chǔ)存能量大、提高電機(jī)的性?xún)r(jià)比及優(yōu)化電驅(qū)動(dòng)控制策略。通過(guò)選擇動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)，使得電機(jī)、電池及電控更好地集成到一起，是現(xiàn)階段提高純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力性的重要方法之一。文章 通過(guò)研究匹配電機(jī)、電池參數(shù)及整車(chē)控制器參數(shù)的基本原則，為純電動(dòng)汽車(chē)初期設(shè)計(jì)動(dòng)力匹配提供了理論依據(jù)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了指導(dǎo)作用，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期。

1 純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和需求

純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)由整車(chē)控制器、電機(jī)控制器、永磁同步電機(jī)、電池管理系統(tǒng)及動(dòng)力電池等構(gòu)成， 整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的基本架構(gòu)，如圖1所示。純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程可采用 “V”模式，如圖2所示。定義好各個(gè)環(huán)節(jié)的功能需求，按照開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行新產(chǎn)品的動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，文章針對(duì)具有單速比和永磁同步電機(jī)的純電動(dòng)汽車(chē)的參數(shù)匹配展開(kāi)研究。

純電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)控制器（MCU）響應(yīng)整車(chē)控制器（VCU）的控制和輸出的扭矩值，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制并對(duì)電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)電池的荷電狀態(tài)（SOC）、電壓、電流及溫度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，VCU通過(guò)采集、接收MCU及BMS等信息實(shí)現(xiàn)整車(chē)驅(qū)動(dòng)模式控制、能量?jī)?yōu)化控制及制動(dòng)回饋控制等功能。因此， 純電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)動(dòng)力性主要依賴(lài)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池組、傳動(dòng)系統(tǒng)及電控系統(tǒng)的參數(shù)匹配。在電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，汽車(chē)的續(xù)航里程、加速性能、最高車(chē)速及爬坡能力等能夠反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)力性，可根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)指標(biāo)選擇合理的電機(jī)參數(shù)和動(dòng)力電池參數(shù)等，以滿(mǎn)足整車(chē)的動(dòng)力需求。

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)的選擇和匹配

電機(jī)是純電動(dòng)汽車(chē)的核心功能模塊，它將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，并通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)將能量傳遞到車(chē)輪來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛。合理地選擇電機(jī)參數(shù)能夠更合理的使用動(dòng)力電池的儲(chǔ)存能量，從而提高汽車(chē)?yán)m(xù)航里程等性能。電機(jī)和MCU組成了純電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 MCU是一種能將動(dòng)力電池輸入的電能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于目標(biāo)電機(jī)運(yùn)行需求的另一種電能形式的電能轉(zhuǎn)化裝置。因此， 整車(chē)的動(dòng)力性能主要取決于MCU選擇的合理性?？梢愿鶕?jù)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求目標(biāo)匹配電機(jī)的峰值功率、額定功率、最高轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速及最大扭矩等參數(shù)。

2.1 驅(qū)動(dòng)方程

根據(jù)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力之間的力學(xué)平衡關(guān)系，估算電機(jī)的基本性能。汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡關(guān)系的方程，如式（1）所示。

純電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比與效率、車(chē)輪半徑、空氣阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積及汽車(chē)的質(zhì)量等性能指標(biāo)確定后，可確定汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡關(guān)系方程組，如式（2）所示。

將式（2）代入式（1）可得汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡關(guān)系方程，如式（3）所示。

通過(guò)式（4）計(jì)算純電動(dòng)汽車(chē)在平衡狀態(tài)下的功率大小，為后續(xù)電機(jī)功率選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 電機(jī)功率的選擇

純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)功率匹配的好壞直接影響汽車(chē)的動(dòng)力性。如果選擇較低功率的電機(jī)，將導(dǎo)致電機(jī)常工作在過(guò)載狀態(tài)，如果選擇較大功率的電機(jī)則其常工作在欠載狀態(tài)，所以功率過(guò)大或過(guò)小都會(huì)大大降低電機(jī)運(yùn)行效率。匹配合理的電機(jī)功率，不僅可提高汽車(chē)的續(xù)航里程，而且可提高能量利用率，符合設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)的目的。由式（4）可知，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率（Pm）應(yīng)不小于最高車(chē)速時(shí)對(duì)應(yīng)的功率，另外由于電機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間在最大功率下運(yùn)行，那么最高車(chē)速時(shí)對(duì)應(yīng)的功率需是額定功率。并且電機(jī)的峰值功率必須滿(mǎn)足最大爬坡度和加速時(shí)間對(duì)應(yīng)的功率要求，因此式（5）不等式組成立。

2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速匹配

純電動(dòng)汽車(chē)最高車(chē)速是指在沒(méi)有風(fēng)速和路面平坦的條件下電動(dòng)汽車(chē)所能達(dá)到的最高行駛速度，即加速度為零、行駛阻力與驅(qū)動(dòng)力平衡時(shí)的速度。最高車(chē)速作為評(píng)價(jià)汽車(chē)動(dòng)力性的重要指標(biāo)，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速匹配至關(guān)重要。

通過(guò)式（6）匹配出電機(jī)的轉(zhuǎn)速即為電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。

3 動(dòng)力電池參數(shù)的匹配

3.1 動(dòng)力電池?cái)?shù)目和功率匹配

對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)在設(shè)計(jì)初期，系統(tǒng)選擇的動(dòng)力電池的功率必須滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需功率，而所需電池的最大放電功率取決于動(dòng)力電池的電壓與最大放電電流。因此，根據(jù)所選擇電機(jī)型號(hào)的工作電壓范圍、功率參數(shù)等匹配電池功率，如式（7）所示。

3.2 動(dòng)力電池容量選擇

動(dòng)力電池作為純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源，其容量決定了整車(chē)的續(xù)航里程，從而影響整車(chē)的動(dòng)力性能。在設(shè)計(jì)初期為了提高續(xù)航里程，單純匹配較大容量的電池會(huì)增加整車(chē)的質(zhì)量并大大增加設(shè)計(jì)成本，因此，合理地匹配電池容量對(duì)提升整車(chē)的性能起著關(guān)鍵性作用。對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)，計(jì)算整車(chē)的續(xù)航里程采用GB/T18386《電動(dòng)汽車(chē)能量消耗率和續(xù)航里程標(biāo)準(zhǔn)》，即用等速法和續(xù)航里程設(shè)計(jì)目標(biāo)值法計(jì)算電池容量。

由能量守恒定律可得：

因此，通過(guò)式（9）即可初步計(jì)算動(dòng)力電池應(yīng)具備的容量值。然后再根據(jù)選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的額定輸入電壓范圍、功率大小及續(xù)航里程所需的動(dòng)力電池容量，確定電池組數(shù)量和所需動(dòng)力電池總電壓。根據(jù)工況法計(jì)算電池容量。

4 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配

傳動(dòng)比對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的性能有較大的影響。不同的行駛工況下，合適的傳動(dòng)比可以很好地滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的性能要求，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在高效率的范圍內(nèi)，同時(shí)減輕電機(jī)和電源的負(fù)荷，減少功率損失。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸出特性一定時(shí)，傳動(dòng)比的選擇需滿(mǎn)足整車(chē)的動(dòng)力性指標(biāo)的最高車(chē)速、加速時(shí)間及最大爬坡度的要求。電動(dòng)汽車(chē)在最高車(chē)速時(shí)以最小的傳動(dòng)比擋位行駛，在最大爬坡度時(shí)以最大的傳動(dòng)比擋位行駛。因此，傳動(dòng)比的上限（iu）、下限（id）可由式（10）計(jì)算。

5 整車(chē)動(dòng)力性能仿真及控制策略?xún)?yōu)化

5.1 整車(chē)動(dòng)力性能仿真

ADVISOR軟件是一種在MATLAB和Simulink環(huán)境下的一系列模型和數(shù)據(jù)。 使用ADVISOR可靈活配置汽車(chē)各部分參數(shù)和試驗(yàn)條件，在純電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)前期可快速地仿真分析純電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及參數(shù)匹配的合理性，使動(dòng)力匹配的開(kāi)發(fā)周期大大縮短。根據(jù)設(shè)計(jì)車(chē)型的目標(biāo)參數(shù)，以及文中相應(yīng)的計(jì)算公式，計(jì)算電機(jī)、動(dòng)力電池及傳動(dòng)系數(shù)，然后打開(kāi)ADVISOR仿真軟件，將相對(duì)應(yīng)的M文件進(jìn)行相應(yīng)的修改進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真界面，如圖3所示。在仿真過(guò)程中可實(shí)時(shí)調(diào)整優(yōu)化所設(shè)計(jì)的動(dòng)力參數(shù)，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5.2 整車(chē)控制策略?xún)?yōu)化

動(dòng)力參數(shù)匹配完成， VCU作為純電動(dòng)汽車(chē)的中樞系統(tǒng)，起著指揮協(xié)調(diào)的作用，并對(duì)整車(chē)動(dòng)力優(yōu)化起關(guān)鍵作用。VCU根據(jù)駕駛員操作意圖及汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)判斷汽車(chē)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)模式，整車(chē)控制策略的好壞直接影響著整車(chē)系統(tǒng)的能量綜合利用率。經(jīng)仿真驗(yàn)證和試驗(yàn)標(biāo)定后選擇最優(yōu)數(shù)據(jù)，使得整車(chē)動(dòng)力電池能量利用率達(dá)到最高，從而節(jié)省電量、增加續(xù)航里程。此外，在汽車(chē)減速或滑行時(shí)，可根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)及駕駛習(xí)慣選擇合適的能量回收系數(shù)，將整車(chē)不能利用的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為能為動(dòng)力電池組充電的電能。

作為純電動(dòng)汽車(chē)的中樞系統(tǒng)，當(dāng)整個(gè)電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，VCU將檢測(cè)到的故障進(jìn)行等級(jí)劃分，按照不同的故障等級(jí)提供相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，這樣就可以按照設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)整車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行功率限制，在保障安全的前提下，減少動(dòng)力電池電量的浪費(fèi)，同時(shí)減輕驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)荷，以保障整車(chē)控制系統(tǒng)處于能量最優(yōu)狀態(tài)。

6 結(jié)論

電動(dòng)汽車(chē)電控系統(tǒng)的參數(shù)匹配選擇對(duì)其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有著很大的影響。文章介紹了在純電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)初期，根據(jù)整車(chē)設(shè)計(jì)目標(biāo)， 通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)、動(dòng)力電池參數(shù)匹配仿真方法及設(shè)計(jì)整車(chē)控制策略，使得純電動(dòng)汽車(chē)“電池+電機(jī)+電控”三電系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力匹配開(kāi)發(fā)初期更好地集成到一起。為電動(dòng)汽車(chē)的前期設(shè)計(jì)分析及后續(xù)整車(chē)各性能指標(biāo)優(yōu)化等提供基礎(chǔ) 理論數(shù)據(jù)，極大地縮短了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

素材來(lái)源：汽車(chē)電子學(xué)堂