引言

本文從純電動(dòng)汽車整車系統(tǒng)角度出發(fā)，研究驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型，主要通過以下性能的仿真結(jié)果作為選型依據(jù)：最高車速、最大爬坡度、整車加速時(shí)間、續(xù)航里程。旨在選型出平臺(tái)化的、可靠性強(qiáng)的純電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，保證車輛安全平穩(wěn)的運(yùn)行的前提下，提高車輛的能量利用率，保證商用車輛經(jīng)濟(jì)性。

1 動(dòng)力性仿真分析

1.1 最高車速仿真

最高車速是車輛在路況良好、水平的路面上正常行駛達(dá)到的最高行駛車速，也是汽車在平坦路面無風(fēng)條件下，行駛阻力和驅(qū)動(dòng)力平衡時(shí)的車速，是汽車動(dòng)力性的三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

最高車速計(jì)算公式如下：

?（1）

nm——電機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）；

R——車輪滾動(dòng)半徑（m）；

i0——驅(qū)動(dòng)后橋速比。

其中，車輪半徑和后橋速比是固定的，因此車速與轉(zhuǎn)速成正比，車速隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加；同時(shí)，車速與空氣阻力成正比，當(dāng)車速增大到驅(qū)動(dòng)力與阻力平衡時(shí)，此時(shí)車輛達(dá)到最高車速。

整車驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式如下：

?（2）

Tq——電機(jī)轉(zhuǎn)矩（N·m）；

nT ——傳動(dòng)效率；

滾動(dòng)摩擦阻力計(jì)算公式如下：

?（3）

m ——車輛整備質(zhì)量（kg）；

f ——滾動(dòng)阻力系數(shù)。

空氣阻力計(jì)算公式如下：

（4）

CD——空氣阻力系數(shù)；

A——汽車迎風(fēng)面積（m2）。

由于車輛在平坦路面無風(fēng)條件下達(dá)到最高車速，因此行駛阻力只考慮空氣阻力以及滾動(dòng)摩擦阻力，故阻力合力計(jì)算公式如下：

（5）

根據(jù)上述公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)可列出驅(qū)動(dòng)力行駛阻力平衡方程。

驅(qū)動(dòng)力行駛阻力平衡方程如下：

?（6）

結(jié)合公式(1)、(2)、(5)、(6)，后續(xù)代入整車參數(shù)及電機(jī)電控參數(shù)（其中電機(jī)電控參數(shù)使用峰值條件下的數(shù)據(jù)），可得出整車車速分別與驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力相關(guān)的曲線，隨著車速增加，驅(qū)動(dòng)力逐漸下降，而行駛阻力逐漸增加，利用仿真分析軟件可繪制出驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖進(jìn)行最高車速仿真。

1.2 最大爬坡度仿真

純電動(dòng)汽車爬坡度，是在良好路面上克服的最大爬坡度。爬坡度是以坡腳的正切值，即坡道高度與坡道水平長度的比值的百分?jǐn)?shù)來表示。

爬坡度計(jì)算公式如下：

?（7）

將公式(1)、(2)、(2)代入到爬坡度計(jì)算公式(7)，即可得到整車爬坡車速與爬坡度的關(guān)系，車輛以越高的車速爬坡的時(shí)候，車輛爬坡度越低。利用仿真分析軟件，可繪制出爬坡度曲線圖進(jìn)行最大爬坡度計(jì)算。

1.3 加速時(shí)間仿真

加速時(shí)間即汽車由車速為0km/h加速到某一車速的最短時(shí)間。對(duì)于手動(dòng)擋的車輛，加速時(shí)間表示從第一擋起步，用最大加速度逐步換至高擋后，到某一車速所需的最短時(shí)間。由于該純電動(dòng)商用車車型只有D檔/N檔/R檔，所以前進(jìn)過程中不存在換擋操作，只要油門踏板踩滿以最大進(jìn)行加速即可。

車輛加速度公式如下：

?（8）

Q——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

其中，D為車輛動(dòng)力因數(shù)，是汽車牽引性能的主要指標(biāo)。是剩余牽引力（總牽引力減空氣阻力）和汽車總重之比。此值越大，汽車的加速、爬坡和克服道路阻力的能力越大。

汽車動(dòng)力因數(shù)的計(jì)算公式如下：

?（9）

將公式(9)代入(8)中，結(jié)合公式(2)、(4)，即可算出車輛加速度與速度之間的關(guān)系，再根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，即可得出整車加速時(shí)間曲線圖，推算出達(dá)到相應(yīng)速度的加速時(shí)間。

2 經(jīng)濟(jì)性仿真——續(xù)航里程

對(duì)于電動(dòng)汽車和燃油車對(duì)比，電動(dòng)汽車目前最大的短板就是續(xù)航里程短且續(xù)航里程補(bǔ)給時(shí)間長。續(xù)航里程即電動(dòng)汽車在純電模式下依靠電池電量支持行駛的最大里程。

電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程公式如下：

?（10）

Eb——電池總電量（kWh）；

Nmc——系統(tǒng)效率；

Nq——電池放電效率。

從公式中可以看出來，續(xù)駛里程與電池總電量、系統(tǒng)效率以及電池放電效率成正比關(guān)系。在電池電量一定的情況下，電機(jī)工作的轉(zhuǎn)速也有著密不可分的關(guān)系。可見電池電量以及電機(jī)電控系統(tǒng)效率的好壞是決定車輛續(xù)航里程的重要因素。將整車技術(shù)定義中提供的電機(jī)電控系統(tǒng)參數(shù)代入上述公式，結(jié)合公式(1)、(2)、(5)，按照電動(dòng)商用車滿載條件計(jì)算，即可得出續(xù)航里程與車速之間在某個(gè)特定車速下可以使續(xù)航里程最大化，但還需要結(jié)合實(shí)際的試驗(yàn)方法進(jìn)行后續(xù)續(xù)航里程摸底試驗(yàn)。

3 實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型案例

整車參數(shù)根據(jù)前期策劃數(shù)值設(shè)定，計(jì)算所需要的公式之前已經(jīng)進(jìn)行過推導(dǎo)，輸入電機(jī)一、二的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電控參數(shù)。

3.1 最高車速（驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖及功率平衡圖）

在同樣的整車試驗(yàn)條件下，進(jìn)行性能比較。

首先比較兩臺(tái)電機(jī)能達(dá)到的最高車速。根據(jù)電機(jī)及電控的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，結(jié)合計(jì)算公式仿真出平衡圖，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力相等時(shí)的交點(diǎn)為最高車速點(diǎn)。

電機(jī)1的最高車速ua max=71km/h時(shí)，驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力相等。

圖1 電機(jī)1的驅(qū)動(dòng)力 - 行駛阻力平衡圖

電機(jī)1在最高車速ua max=71km/h時(shí)，驅(qū)動(dòng)力功率與行駛阻力功率相等。

圖2 電機(jī)1的功率平衡圖

電機(jī)2的最高車速ua max=101km/h時(shí)，驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力相等。

圖3 電機(jī)2的驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖

電機(jī)2在最高車速ua max=101km/h時(shí)，驅(qū)動(dòng)力功率與行駛阻力功率相等。

圖4 電機(jī)2的功率平衡圖

3.2 爬坡度（爬坡度曲線）

再比較兩臺(tái)電機(jī)能達(dá)到的最大爬坡度。根據(jù)電機(jī)及電控的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，結(jié)合計(jì)算公式仿真出爬坡度曲線圖，在車速升高的情況下，爬坡度逐漸降低。

電機(jī)1在5km/h的速度下，可以達(dá)到的最大爬坡度I max= 29%。

圖5 電機(jī)1的爬坡度曲線圖

電機(jī)2在8km/h的速度下，可以達(dá)到的最大爬坡度I max= 13%。

圖6 電機(jī)2的爬坡度曲線圖

3.3 加速時(shí)間（加速度曲線）

接著在同樣的載質(zhì)量m=1100kg的情況下，比較搭載電機(jī)1和電機(jī)2時(shí)車輛達(dá)到50km/h的時(shí)速，所需要的時(shí)間長短。

電機(jī)1達(dá)到50km/h的速度，所需要的加速時(shí)間ta =15s。

圖7 電機(jī)1的加速度曲線

電機(jī)2達(dá)到50km/h的速度，所需要的加速時(shí)間ta =17s。

圖8 電機(jī)2加速度曲線

3.4 續(xù)駛里程（續(xù)駛里程曲線）

電機(jī)1所達(dá)到的續(xù)駛里程 S=131km。

圖9 電機(jī)1的續(xù)駛里程曲線圖

電機(jī)2所達(dá)到的續(xù)駛里程 S=138km。

圖10 電機(jī)2的續(xù)駛里程曲線圖

最后在同樣搭載電量Eb=15.6kWh的電池，放電深度SOC=80%，載質(zhì)量m=930kg，按60km/h等速法去測試的情況下，比較搭載電機(jī)1和電機(jī)2的車輛的續(xù)駛里程。

4 電機(jī)動(dòng)力性計(jì)算對(duì)比分析

動(dòng)力性方面：驅(qū)動(dòng)電機(jī)2在最大爬坡度上不能滿足設(shè)計(jì)要求；驅(qū)動(dòng)電機(jī)1雖然在爬坡能力上表現(xiàn)優(yōu)異，但最高車速較低。

表1 電機(jī)1、2搭載整車性能對(duì)比分析表

經(jīng)濟(jì)性方面：噸百公里耗電量（SOC=80%，Eb=15.6kWh，m=930kg），驅(qū)動(dòng)電機(jī)1為10.24度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)2為9.72度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)2結(jié)果更佳。

5 結(jié)論

對(duì)于電機(jī)1，不考慮最高車速的情況下，滿足設(shè)計(jì)要求；對(duì)于電機(jī)2，為滿足爬坡需求，需要采用大傳動(dòng)比車橋滿足設(shè)計(jì)要求。

通過模擬仿真分析，得出對(duì)于不同廠家輸入產(chǎn)品在整車性能參數(shù)層面上的分析建議，由相關(guān)工程師對(duì)于結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì)，選擇對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)或者輸入新的產(chǎn)品，繼續(xù)開展研發(fā)設(shè)計(jì)工作。對(duì)于減少研發(fā)工作量，以及避免因產(chǎn)品定義不明確，所造成在實(shí)際裝車中出現(xiàn)問題，重新進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)變，重復(fù)驗(yàn)證方案對(duì)于研發(fā)經(jīng)費(fèi)的浪費(fèi)和開發(fā)周期的延誤有著實(shí)際的意義。

來源 | EDC電驅(qū)未來