摘要：动力参数匹配对电动汽车性能有很大的影响，纯电动汽车是未来新能源汽车的发展方向，电动汽车与传统燃油车最大的区别在于动力来源不同，电机作为纯电动赛车的唯一动力来源，电机的性能决定了整车的动力性能。电动机的功率直接影响整车的动力性。电动机功率越大，电动汽车的后备功率也越大，加速性和最大爬坡度越好，同时也会增加电动机的体积和质量，正常行驶时电动机不能在高效率区附近工作，降低了车辆的续驶里程。本文对赛车动力性进行了分析，根据方程式赛车在加速和最高车速的设计需求，利用汽车理论对电机所需的功率和扭矩进行了初步计算，然后用软件进行了动力性仿真分析，最后选择了一款适合我们赛车的电机。
关键词：电动汽车；动力性能；动力匹配；动力仿真分析
1 引言
汽车的动力性指标通常有最高车速、加速性能和最大爬坡度。汽车动力源和汽车的动力性有着密切的关系，而电动机是纯电动汽车的唯一动力源，因此，对电动机的选择及参数匹配是研
究设计纯电动汽车动力系统的关键之一。动力传动系统是电动汽车最主要的系统，电动汽车运行性能主要由其动力传动系统的性能决定 。
电动机的功率直接影响整车的动力性。电动机功率越大，电动汽车的后备功率也越大，加速性和最大爬坡度越好，同时也会增加电动机的体积和质量，正常行驶时电动机不能在高效率区附近工作，降低了能量的利用率，从而降低了车辆的续驶里程。因此，设计时通常依照电动汽车的最高车速vmax (km/h)、初速度v0、末速度v，加速时间丁(秒)和最大爬坡度imax (%)来确定电动机的功率，由于方程式赛车在专业赛道上进行比赛，所以只需要根据最高车速和原地起步0到100km/h加速时间来确定电机的参数。
纯电动汽车的电动机应有较高的转矩／惯量比，尽可能宽的高效率区和良好的转矩转速特性。在目前所用的电动机驱动系统中，直流电机虽然具有良好的控制特性，但由于其自身固有的缺陷，在电动汽车中用的越来越少。采用鼠笼式感应电动机结构简单，运行可靠，大量应用在电动汽车中，但功率密度和效率一般。开关磁阻电机结构更为简单，效率、转矩惯量比也较高，但由于力矩波动及噪声过大，在电动汽车上用得还不普遍。永磁无刷电动机系统具有最高的效率、转矩惯量比，在电动汽车中得到了较广泛的应用。
2 赛车动力性分析
根据中国大学生方程式汽车大赛规则，要求参赛车队设计出一辆在加速、制动、操控性能以及续航里程方面有优异表现的单人周末休闲赛车，并能完成赛事所有或部分参赛项目。动态项目有75m直线加速、高速避障、8字绕环以及耐久赛，赛车的动力性主要体现在75m直线加速。根据赛场经验，要想取得较好的成绩，一般75m加速时间不得超过4.8s，75m末速度大约是100km/h左右。在耐久方面，耐久赛总里程是22km，平均车速大约在60km/h左右，最高车速umax可以设计为120km/h。电机参数可以根据如下流程图
图1 电机参数选择流程图
3 电机参数的选择
现给出一辆赛车的具体整车参数（表1），然后根据赛车的参数，计算电机的功率：
图2 赛车的参数
电机需要满足以下几个要求：
（1）动力系统的额定功率必须满足车辆以最高车速行驶；
(2) 动力系统必须满足车辆加速性的要求；
(3) 动力系统必须满足车辆以最大爬坡度爬坡的要求；
(4) 动力系统必须满足车辆以额定转矩在常规车速行驶的要求；
（5）根据汽车的动力性指标选择最适合的驱动电机。
驱动电机的最大功率（P）必须满足最高车速时的功率（P）、最大爬坡度时的功率（P）及根据加速时间的功率（P）要求，即：P。 其中， （1）
（2）
（3）
式中：——最高车速，km/h；
——传动系机械效率；
——电动汽车整备质量，kg；
——滚动阻力系数；
——空气阻力系数；
——迎风面积，m；
——最大爬坡度，()；
——爬坡车速，km/h；
——汽车的加速末速度，km/h；
——汽车加速时间，s。
3.1 根据最高车速计算电机额定功率
（4）
3.2 根据加速时间计算电机峰值功率
（5）
电机的峰值功率与额定功率的关系为： （6）
式中：——电机峰值功率，kw；
——电机额定功率，kw；
——电机过载系数。
根据选择驱动电机的峰值功率，这里选择20kw， 40kw。
3.3 电动机额定电压的选择
电动机额定电压的选择与电动汽车动力电池组电压密切相关。在相同输出功率条件下，电
池组电压高则电流小，对导线和开关等电器元件要求较低，但较高的电压需要数量较多的单体电池串联，引起成本及整车质量的增加和动力性的下降并且难于布置。 电动机额定电压一般由所选取的电动机的参数决定，并与电动机额定功率成正比，电动机的额定电压越高电动机的额定功率越大。考虑上述结果确定电动机的额定电压范围为300～350V。
3.4电机转速的选择
电动机的最高转速对电动机成本、制造工艺和传动系尺寸有很大的影响。转速在 6000r/min 以上的为高速电机，以下为普通电机。前者成本高、制造工艺复杂而且对配套使用的轴承、齿轮等有特殊要求，一般适用于电动轿车或 100kw 以上大功率驱动电机，很少在纯电动客车上使用。因此应采用最高转速不大于 6000r/min 的低速电机。驱动电机的额定转速（）和最高转速（）的选取应符合驱动电机的转矩转速特性要求，如图1所示。在启动即低转速时得到恒定的最大转矩（），同时在高转速时得到恒定的较高功率（）。
图3 驱动电机扭矩转矩特性
（电机扩大恒功率区系数）。增大值，可使电机在恒转矩区获得较大转矩，提高汽车的加速和爬坡性能。但是，如果值过大，会导致电机工作电流和逆变器的功率损耗和尺寸增大，因此值一般取2~3。
的选择需要满足汽车起动转矩和的要求，同时结合传动比和来确定。
（7）
式中：r——汽车轮胎滚动半径，m；
——传动系统最大传动比。
电机最高转速的确定，根据最高车速及最小传动比确定
（8）
电机最大扭矩的确定，可以根据最大爬坡度和最大传动比决定。
（9）
最终确定电动机的相关参数如下：
额定功率 20kw 峰值功率 40kw
额定转速 2300 r/min 最大转速 6000r/min
额定转矩 70N·m 最大转矩 180N·m
4电池组参数设计
电动汽车动力电池系统的参数匹配主要包括电池类型的选择、电池组电压和能量的选择。电池能量指标是体现电池价值的最重要参数，于纯电动汽车，电池组能量的大小由电动汽车续驶里程决定，电动汽车的续驶里程可通过工况法或等速法测定，前一种方法是指将电动汽车置于工况试验环境下以工况行驶速度经行行驶试验，试验期间行驶的总距离即为续驶里程；后一种方法是指让电动汽车以恒定速度在道路上行驶，由于不同车速下电动汽车的续驶里程不同，根据续驶里程与车速的关系，当车速在30-63 km／h范围内时有较大的续驶里程，一般标定电动汽车续驶里程时取速度为(40+2)km／h或(60±2)km／h，试验期间行驶的总距离即为续驶里程。电动汽车常采用等速法对续驶里程这一性能指标进行测定 。电池组容量的选择主要考虑汽车行驶时的最大输出功率和消耗的能量，以保证电动汽车对动力性和续驶里程的要求。
4.1 由最大输出功率确定电池组数目（np）
（10）
式中： Pbmax——电池最大输出功率，kW；
ηe——电机工作效率；
ηcc——电机控制器工作效率。
3.2 由续驶里程确定电池组数目（n）
（11）
式中： L——电动车续驶里程，km；
W——电动汽车行驶1 km所消耗的能量，kW；
C1——单节电池额定容量，A·h；
U1——电动汽车电机单节电池电压，V。
取np和n的较大值作为最后确定的电池组数目。
5 传动系的参数设计
由于电动汽车在行驶过程中所遇到的阻力随车速的变化而变化，变化范围很宽，单靠电动机的力矩变化无法满足电动汽车的行驶性能要求。为了满足电动汽车的行驶性能，同时也使驱动电机经常保持在高效率的工作范围内工作以减轻驱动电机和动力电池组的负荷，电动汽车在电动机和驱动轮之间需要安装减速器和变速器。电动汽车的传动系参数匹配设计主要包括：变速器传动比及挡位的确定和主减速器的匹配设计等。在电机输出特性一定时，传动系速比如何选择，依赖于整车的动力性能指标要求。最小传动比（imin）的确定由电机最高转速和最高行驶车速确定的imin为：
（12）
式中： nmax——电机最高转速，r/min；
umax——电动汽车最高车速，km/h。
最大传动比（imax）的确定
由最大爬坡度和最大输出扭矩决定的imax为
（13）
式中： Ttq max——电机最大输出扭矩，N·m。
一般电动汽车应具备30%的爬坡能力。由最高车速和电机最高转速对应的电机扭矩 决定的imax为[2]：
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