戚金凤
【摘 要】为了解决纯电动汽车动力性差这一难题,从汽车电动机参数与汽车整车参数匹配的角度,研究纯电动汽车的动力性.根据汽车电动机的数学模型和汽车整车参数、性能,计算电动机的各项参数,再利用AVL-CRUISE汽车仿真软件建模仿真,从汽车的最大爬坡度、加速时间、最高车速三方面评价电动机参数与汽车相关参数的匹配情况.仿真结果表明,汽车驱动电动机的参数满足汽车整车参数、性能要求,表明本驱动电机参数设计匹配方法可行.
【期刊名称】《无锡商业职业技术学院学报》
【年(卷),期】2019(019)003
【总页数】7页(P85-91)
【关键词】驱动电机;参数匹配;整车建模;AVL-CRUISE仿真
【作 者】戚金凤
【作者单位】广州科技职业技术学院,广州510550
【正文语种】中 文
【中图分类】U463.23
当今社会对环境污染的危害越来越重视，世界各国都出台了相关的环保政策，其中对汽车尾气的排放也有一定的要求，使得各汽车企业纷纷向新能源汽车转型。代表新能源汽车的纯电动汽车由于其零排放的特点，驱使了许多汽车厂商纷纷加大了纯电动汽车技术的投入。纯电动汽车中的电池组、电机、传动系统是影响汽车动力性能的关键部件，然而，纯电动汽车动力性差的缺点一直阻碍其发展[1]。为了解决这一难题，本文从汽车电动机参数与汽车整车参数匹配的角度，研究纯电动汽车的动力性。宝马320i改装
一、汽车驱动过程的动力学模型
汽车在行驶过程中，驱动轮在机械转矩的作用下给地面作用——圆周力F0，驱动力与圆周力方向相反,如图1所示。
图1 纯电动汽车驱动力
驱动力的大小为：
(1)
式(1)中,Ft为纯电动汽车驱动力；Tt为驱动力矩；r为驱动轮半径。
驱动力矩[2]的大小为：
Tt=Ttqigi0η
(2)
式(2)中,Ttq 为电动机转矩；ig为变速器传动比；i0为主减速器传动比；η为传动系统的机械效率。
由式(1)和式(2)可得：
(3)
由式(3)看出，汽车驱动力大小的影响因素有电动机转矩、变速器传动比、主减速器传动比
、传动系统的机械效率和驱动轮半径，若要汽车向前行驶，还需要克服汽车前进方向的行驶阻力，其中行驶阻力包含加速阻力Fj、空气阻力FW、滚动阻力Ff、坡度阻力Fi。
空气阻力FW是汽车在行驶过程中，空气气流对汽车产生的阻力，其大小为：
(4)
式(4)中,CD为空气阻力系数，空气阻力系数取值范围在0.3～0.4之间；A为汽车行驶中的迎风面积(m2);u为汽车行驶速度(km/h)。
滚动阻力Ff是路面对汽车轮胎的反作用，其大小为：
Ff=mgf·cosα
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式(5)中，m为汽车质量(kg)；g为重力加速度(m·s-2)；f为滚动阻力系数，其大小影响因素包括路面摩擦状况、轮胎的尺寸结构和轮胎气压等,对于一般公路取0.010～0.035;a为爬坡度角。
坡度阻力Fi是汽车在爬坡上行时受到重力的影响，汽车质量沿坡道向下的分力，其大小为
Fi=mg·sinα
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加速阻力Fj是汽车在加速过程中需克服由汽车质量引起的惯性力。加速阻力包含汽车平移的质量惯性力和汽车旋转部件的质量惯性力，其大小为：
(7)
式(7)中,δ为汽车旋转质量转换系数；m为汽车整车总质量(kg)；dv/dt为汽车加速度(m/s2)。
汽车行驶力平衡方程式为：
Ft=Ff+Fw+Fi+Fj=mgfcosa+
(8)
汽车行驶功率平衡的方程式为：
Ptη=Pf+Pw+Pi+Pj
(9)
二、汽车电机数学模型及工作特性
由上述动力学模型可看出，汽车驱动力的大小与汽车电机转矩存在很大的关系，驱动电机参数与整车参数匹配是否合理会直接影响汽车的动力性能，从而影响汽车的综合性能和续航性能。驱动电机的参数设计可在电机转矩、转速、过载能力特性、功率、转速范围、工作效率、尺寸及质量、易操作性、结构的坚固性、控制器成本等方面来考虑，目前应用纯电动汽车的驱动电机有直流电机、交流感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机，永磁同步电机因转子采用永磁体，转子无磁阻无铜耗，具有调速性能好、尺寸小、质量轻、工作效率高等特点，因此本文选用永磁同步电机作为纯电动汽车的驱动电机。
永磁同步电机的数学模型有两种，一种是在三相定子参考坐标系中的数学模型，另一种在转子旋转坐标系d-q中的数学模型[3]，永磁同步电动机在d-q坐标系的数学模型如下：
定子侧电压方程为：
(10)
式(10)中,ud为定子电压的d轴分量；uq为定子电压的q轴分量；id是定子电流的d轴分量；iq是定子电流的q轴分量；R是定子的电阻；ψd为定子磁链的d轴分量；ψq为定子磁链的q轴分量；ωs是同步电角速度；P为微分算子。
定子侧磁链方程为：
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式(11)中,Ld3为电感的d轴分量；Lq3为电感的q轴分量；ψf为永磁体磁链。
定子侧电磁转矩为：
Te=np(1.5ψfiq+(Ld3-Lq3)idiq)
(12)
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式(12)中，Te为电磁转矩；np为极对数。
电动机的功率与转矩的关系表达式为：
(13)
式(13)中，Pe为电动机额定功率，n为电动机转速。
结合式(8)和式(13)，可得：
(14)锐程cc
永磁同步电动机的工作特性如图2所示。当电动机转速小于2500(r/min)时，电动机扭矩处于最大值且恒定不变，这对汽车起步或爬坡有着重要作用，随着汽车转速的上升，电动机的转矩逐渐下降；当电动机转速大于2500(r/min)时，电动机的功率最大且恒定不变，此时的工作效率也是最高的水平，因此电机的损耗也是最小的。可以看出，电动机的额定转速最好处在电机扭矩曲线与电机功率曲线的交叉点附近，这样可兼顾电机扭矩与功率。
图2 永磁同步电动机的工作特性
三、驱动电机参数匹配设计
(一)纯电动汽车整车参数及动力性能指标
纯电动汽车的整车参数设计及动力性设计性能如表1所示。
表1 纯电动汽车整车参数及动力性能指标项目参数汽车整车质量/kg1347载货重量/kg136长、宽、高/mm4165×1690×1930轴距/m2.6汽车前桥重量分配系数0.6汽车重心高度/m0.5汽车行驶迎风面积/m22汽车行驶风阻系数0.335车轮滚动半径/m0.293最高车速/km·h-1≥110最大爬坡度/%≥250～100 km/h加速时间/s≤15
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