纯电动汽车动力系统参数匹配与分析

摘要：汽车工业的高速发展以及全球性的资源枯竭之间有着一定的矛盾，本文在论述纯电动汽车发展现状的基础之上分析了其动力系统参数的匹配以及相关措施分析。

关键词：纯电动汽车；动力系统；参数匹配；分析

中图分类号：U469文献标识码： A

引言

汽车工业发展带来的石油资源短缺、环境污染等问题日益突出，而电动汽车在节能、环保和性能方面具有传统汽车无法比拟的优势，故研发电动汽车是解决上述问题的有效途径。但是，动力电池和电驱动等关键技术的不成熟使电动汽车的续驶里程比较短，严重制约了电动汽车的普及与发展。在这些关键技术取得有效突破之前，对动力系统的参数进行更为合理的匹配，最大限度地挖掘现有电动汽车技术的潜能，是提高电动汽车性能的重要手段之一。

1、中国纯电动汽车的发展现状

目前我国纯电动汽车的研发主要集中在整车总布置、系统集成控制、电机及其控制器，电池及其管理等方面。纯电动客车的研发首推北京理工大学科研团队，其开发的动力系统在国内行业处于领先地位；纯电动乘用车有多家企业单位进行了研发工作，如比亚迪、东风、时风等。通过国内整车和电池相关厂商、高校和研究单位的共同努力，纯电动客车使用的锂离子蓄电池的技术日趋成熟，基本可以媲美国际先进水平；而纯电动乘用车方面，随着磷酸铁锂电池等技术的改进，使得纯电动汽车产业向着市场化、产业化的方向迅速发展。

2、中国纯电动汽车基础设施现状

根据某调查部门得出的结果显示，影响电动汽车发展的诸多因素中，购买价格因素居首，第二位则是充电基础设施的建设。分析汽车工业发达国家的发展情况可知，国外的充电设施建设虽处于初步阶段，但是政府对该建设非常关注，正在加大支持力度。而从国内近几年发展情况来看，我国已经投产了一定数量的充电站与充电桩，国家电网公司也开展了电动汽车充电站测试与研究工作，充电站建设开始呈现加速发展的势头。但充电站的运行管理机制相比国外仍然较为落后，自动化水平程度有待提高，另外基础设施建设标准体系亟待建立。

3、纯电动汽车动力参数匹配计算

3.1、纯电动汽车基本参数和设计指标合理的动力系统参数匹配和良好的零部件性能（包括驱动电机、动力电池、变速器和其他部件性能）造就电动汽车良好的动力性能。某Ａ级纯电动汽车的基本参数如表1所示，动力性和经济性设计指标如表2所示

表1某Ａ级纯电动汽车整车基本参数

3.2、驱动电机参数匹配

驱动电机的基础参数主要包括电机的三大参数，即功率、转速和扭矩。

3.3、电机的峰值功率和额定功率

通常电机的功率参数选择视具体性能指标而定，峰值功率与额定功率之间并不存在一定的比例关系。就具体情况而言，当电机转速稳定在最高车速或90%最高车速对应的转速时，电机基本工作在额定功率阶段；当电机在爬坡或全力加速时，电机大多短时（1～5ｍｉｎ）维持在最大功率阶段。即最高车速需求功率对应电机的额定功率，最大爬坡度和全力加速时间内对应电机的峰值功率。所以主要依据最高车速ｕｍａｘ、最大爬坡度αｍａｘ和加速时间ｔ选择驱动电机的功率。计算公式如下：

式中：ηｔ为传动系统的机械效率，取为０．９；ｕα为爬坡速度，这里取为１５ｋｍ／ｈ；δ为汽车旋转质量换算系数，δ＝１＋δ１＋δ２，一般取１．０８；ｖｍ为加速最后阶段的速度（ｍ／ｓ）；ｄｔ为迭代步长，通常取为０．１ｓ；ｔｍ为汽车的加速时间（ｓ）；ｘ取０．５。进行计算可以得：Ｐｍａｘ１＝１８．９ｋＷ，Ｐｍａｘ２＝１４．３ｋＷ，Ｐｍａｘ３＝３６．３ｋＷ，从而得最高功率Ｐｍａｘ＝｛Ｐｍａｘ１，Ｐｍａｘ２，Ｐｍａｘ３｝＝３６．３ｋＷ。考虑到实际运行中的损耗和效率问题，电机的峰值功率取为４５ｋＷ。而电机的额定功率应满足前述９０％最高车速匀速行驶要求，即有Ｐｒ＝９０％×Ｐｍａｘ１＝１７ｋＷ。考虑实际运行中的损耗和效率问题，这里额定功率取为１８．５ｋＷ。此时算得过载系数λ＝４５／１８．５＝２．４３，满足一般的取值范围（λ＝２～３）要求。

3.4、电机的最高转速和额定转速

汽车用电机大多数情况下是高速电机，综合考虑功率密度、综合效率、电机质量、可靠性等因素，并根据实际产品的市场情况，选取电机的最高转速ｎｍａｘ为９０００ｒ／ｍｉｎ。电机的扩大恒功率区系数β的取值范围为２～４，这里取β＝３，则额定转速ｎｒ＝ｎｍａｘ／３＝３０００ｒ／ｍｉｎ。

3.5、动力系统部件参数匹配

整车功率需求根据车辆动力学理论，整车功率需求满足如下关系：

式中：Pv―整车需求功率，kW；g―重力加速度，9.8m/s2；m―车辆满载质量，kg；i―道路坡度；δ―旋转质量换算系数；dua/dt―车辆加速度，m/s2；ua―车速，km/h。设分别由上式计算得到的最高车速总需求功率、最大爬坡度总需求功率和车辆起动加速总需求功率分别为Pv1、Pv2和Pv3，则动力系统总功率由下式来确定

式中：P―动力系统总需求功率；Paux―整车附件功率需求。

3.6、电机参数选择

混合动力汽车发动机提供稳态功率需求，而电机向电驱动系统提供所需的峰值功率。理论上，发动机与电机最大功率之和大于整车总功率需求即可满足驱动要求。实际上，发动机最大功率在最高转速下得到，而实际车辆峰值驱动功率需求的工作点却不一定在发动机最高转速下。即要求电机峰值功率满足：

初步选取电机额定功率为10kW，峰值功率为20kW，过载系数β=2。

3.7、动力电池组参数

选择动力电池组参数匹配主要是满足车辆行驶的功率需求和能量需求，满足如下条件：（1）动力电池组的输出功率不小于所选电机的峰值功率；（2）动力电池组在其正常应用范围内所提供的总能量不小于爬坡或加速时所需要的最少能量，同时能满足一定要求的平路纯电动行驶里程。

3.8、驱动系统和电池管理的控制策略

在驱动控制时，以电机电流为控制对象，采用电机电流闭环控制。控制电机的电流即控制其转矩，驱动电机在不同转速下的转矩受其相应转速下的最大转矩的限定，使得电机的最大输出转矩和峰值输出功率符合图1所示的机械特性要求。当电流超过电机允许的最大电流时，通过电机控制器关闭电机。此外，电机电压还受到最小电压的限定，当电压低于最小电压时，驱动电机不能运行。蓄电池模块根据电力总线的功率需求，通过电池组电压/内阻模块、功率限制模块和电流值计算模块计算电力总线实际得到的功率，并通过SOC（荷电状态）算法模块计算得到SOC值变化曲线。电池组的电压受电池组所能提供的最大电压和电机控制器要求的最小电压的限定，最大输出功率受等效电路和电机允许功率的限定，充放电电流的最大值也均受到一定限制。

4、结语

根据动力传动系统的设计原则和设计目标，设计的增程式电动汽车的动力传动系统的参数匹配方法对于指导增程式电动汽车的开发、提高汽车性能和安全性，以及对于电动汽车底盘集成控制系统的开发都具有重要的工程应用意义。

参考文献

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[2]周飞鲲.纯电动汽车动力系统参数匹配及整车控制策略研究[D].吉林大学,2013.

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