新能源轻卡电驱动系统关键指标和参数计算方法
新能源动力系统包括动力电池、驱动电机、电机控制器以及传动系统，其关键指标的选取需要根据整车性能参数进行匹配。以下从新能源汽车技术路线、整车结构原理和性能指标要求、电驱系统关键指标和参数选取、Cruise 仿真计算4个方面来进行介绍。
一、新能源汽车动力总成技术路线
我国按照新能源汽车驱动原理和技术路线，将其划分为纯电动动力总成系统、插电(增程)式混合动力总成系统和燃料电池动力总成系统3类。
1、纯电动动力总成系统
纯电动汽车利用动力电池作为储能部件，通过动力电池向电机提供电能驱动车辆前进。其动力总成原理如图1所示，主要包括动力电池及电驱动系统。动力电池部分目前国内通常采用锂离子电池，电驱动系统分为电机直接驱动和电机-AMT间驱两种形式，电机包括永磁同步和交流异步两种。
图 1 纯电动汽车动力总成原理图
2、 插电式混合动力总成系统
以混合动力电动汽车为基础，增加可外接充电功能后构成了插电式混合动力系统。其动力总成由两个或多个能同时运行的单个动力系统联合组成，根据汽车实际的行驶状态选择由单个动力系统或多个动力系统提供动力。按照动力传递路线可分为增程式动力总成和插电式动力总成两种，其中插电式动力总成又包括并联和混联两种形式。
（1） 增程式动力总成
图 2 增程式混合动力汽车动力总成原理图
增程式动力总成原理如图2 所示，系统优先使用电池，发动机和发电机组作为备用电源，电池电量不足的情况下发动机发电机组开始工作将电能输送至直流高压母线。
（2）插电式-并联系统
插电式-并联动力总成原理如3 所示，采用发动机和驱动电机两套独立的驱动系统驱动汽车。系统包含电机单独驱动、发动机单独驱动和发动机-电机协同驱动三种模式。
图 3 插电式-并联混合动力汽车动力总成原理图
（3）插电式-混联系统
混联动力总成系统原理如图4 所示。该动力总成系统复杂程度最高，既包含了增程式动力总成原理，又包含了并联动力总成原理。但混联动力总成系统的驱动模式更加灵活，适应性更强，能量效率最高。
图 4 插电式-混联混合动力汽车动力总成原理图
3 、燃料电池动力总成系统
燃料电池动力总成原理如图5所示，主要由燃料电池反应堆、燃料存储装置、电驱动系统、动力电池组组成，其工作原理与增程式系统一致。
图 5 燃料电池电动汽车动力总成原理图
二、整车结构原理和性能指标要求
1、 整车结构原理
纯电动汽车和传统燃油车一样，整车主要由传动系统、车身、底盘和电器四部分组成。纯电动汽车区别于传统汽车在于其具有电力驱动系统和电源管理系统，纯电动汽车主要由电源系统、电驱动系统和辅助系统组成，结构原理如图6。
图6 高压架构原理简图
2、整车参数及性能指标
（1）整车参数
整车基本参数如表1所示。
表1 整车基本参数
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技术参数 |
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整车装备质量（kg） |
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满载质量（kg） |
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总长宽高（mm） |
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轴距（mm） |
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迎风面积（m2） |
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空气阻力系数 |
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滚阻系数 |
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轮胎半径（m） |
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传动效率（%） |
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（2） 整车性能指标
为保证较高的整车性能，需对比市场同级别新能源商用车性能参数后制定整车的性能目标。对整车的爬坡能力、最高车速、加速性能和续航里程都提出了要求。新能源商用车的动力性和经济性指标如表2所示。
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性能参数 |
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最大爬坡度（%） |
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0～80km/h加速时间（s） |
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230m加速时间（s） |
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最高车速（km/h） |
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综合续航里程（km） |
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40km/h等速续航里程（km） |
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三、电驱系统关键指标和参数选取
电驱系统关键指标包括驱动电机参数、动力电池参数和减速器参数。以下分别对这三个方面进行介绍。
1、驱动电机主要参数及选取
驱动电机作为新能源汽车的主要或者唯一动力来源，其性能直接影响着整车的动力性和经济性。
匹配整车性能需求，需要考虑的驱动电机参数包括3个方面：
1）电机功率：额定功率/峰值功率；
2）电机转速：额定转速/最高转速；
3）电机扭矩：额定扭矩/峰值扭矩。
1.1 电机功率的选择
驱动电机功率的设计主要依据汽车动力性指标，包括最高车速、最大爬坡度和加速时间。
电机功率参数包括2个：峰值功率和额定功率。
选取的功率参数过大，会造成电机长时间处在欠载状态，电机工作效率较低，会增加整车耗电量，降低续航里程；如果功率参数过小，又会使电机长时间处在过载状态，电机发热量增大，寿命减少。
（1）峰值功率
电机峰值功率主要由最高车速需求功率、最大爬坡能力需要功率和加速性能功率决定。
最高车速行驶时的需求功率。
最高车速是指在一段时间内电动车持续正常运行的最大车速。在最高车速下行驶时，只考虑摩擦阻力及空气阻力功率，计算公式如下:
其中，P1为最高车速下行驶时的功率；V max为最高车速；f 为滚阻系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积；η1为传动效率。
最大爬坡能力决定的功率需求。
电动汽车的最大爬坡能力取决于电机的峰值扭矩。最大设计爬坡度为20%，稳定爬坡速度按20km/h 进行计算，爬坡时需克服车辆坡道阻力、滚动阻力和空气阻力功率，计算公式如下：
P2为爬坡需求功率；αmax为最大坡度；V min为稳定爬坡速度。
加速性能决定的功率需求。
加速过程需要克服的阻力功率包括加速阻力、空气阻力和滚动阻力功率，计算公式如下：
式中P3为加速过程需求功率；t为加速时间，V m为加速末速度。电机峰值功率P≥max[P1，P2，P3]，并要考虑保留一定的储备功率。
（2）额定功率
额定功率PN可根据峰值功率，过载系数λ得到，过载系数一般取λ∈[2,3]。
1.2 电机额定转速和额定扭矩的初步设计
驱动电机根据转速大小可分为3个等级：
1）低速电机：转速范围为3000-6000r/min；
2）中速电机：转速范围为6000-10000r/min；
3）高速电机：转速高于10000r/min。
驱动电机的转速等级越高,电机制造精度和工艺要求也就越高，相应的制造成本也会越大。电机额定转矩由额定功率和额定转速确定，计算公式如下：
其中，PN为额定功率，nN为额定转速，TN为电机额定转矩。
1.3 电机最高转速和峰值扭矩的初步设计
电机的扭矩过载能力用λp表示，即峰值扭矩与额定扭矩的比值，一般取值[2,3]。
其中，Tmax为最大扭矩，TN为电机额定扭矩。
2、减速器主要参数及设计
减速器参数的匹配设计，需要满足整车动力性需求，同时还需要考虑布置空间和成本，具体包括4个方面：
1）最高车速；
2）最大爬坡度；
3）布置空间；
4）成本。
基于以上4个方面的考虑，减速器参数主要包括4个：
1）主减速器传动比；
2）最大传动比；
3）最小传动比；
4）变速器档位数量及各挡位传动比。
以下分别对各参数的选取方式进行介绍。
2.1 主减速器传动比
主减速器传动比的选取，根据传动系统最大传动比和最小传动比，及主减速的尺寸综合决定。
2.2 最大传动比计算
确定最大传动比主要考虑最大爬坡度和附着力。
（1）按最大爬坡度确定最大传动比。
（7）
其中，imax为最大传动比，i0为主减速比，r为轮胎半径，Tmax为驱动电机最大转矩。
（2）按附着力确定最大传动比。
（8）
（9）
其中，F为附着力，G2为后轴载荷，φ为附着系数。
2.3 最小传动比计算
确定最小传动比主要考虑最高车速，按最高车速确定最小传动比。
（10）
其中，imin为最小传动比，nmax为电机最高转速，r为轮胎半径，umax为最高车速，i0为主减速比。
2.4 档位数的选择
变速器挡位数量综合考虑动力性、燃油经济性和变速器结构复杂度。
增加变速器的挡位数能够改善汽车动力性和经济性，但挡位数越多变速器的结构越复杂，使外廓尺寸和质量加大。同时，在最低挡传动比不变的条件下，増加变速器的挡位数会降低使相邻两挡间的传动比比值，使换挡更加平顺。
2.5 倒车挡位设计
纯电动汽车驱动电机与传统燃油汽车发动机相比，可以自由正转和反转。
(1)倒挡最大传动比计算
按附着力确定最大传动比imaxl
（11）
(2)倒挡最小传动比计算
为了防止倒车时车速过高，造成安全问题，设置最高倒车车速。按倒车时最高车速确定最小传动比iminl：
（12）
四、Cruise仿真计算
整车仿真技术在汽车的开发中扮演着重要的角色，可以缩短整车开发周期，降低开发成本，预测整车所能达到的性能指标，还可通过优化汽车的某些参数进一步提高整车性能。
该部分介绍使用Cruise进行整车建模，并进行仿真分析，从而优化电驱动系统参数的设计，使整车达到更优的性能。
1、整车模型的搭建
Cruise 模型的搭建包括模型的选择、模型的连接、参数设置和计算任务的创建四个步骤。一个完整的车辆模型主要由电机、动力电池、主减速器以及一些辅助模块构成。在Cruise 模型库中选择需要的模块，通过合理的连接方式完成各个模块的连接，对各模块进行参数设置，最后添加坡度计算、稳态计算和循环工况计算等仿真任务，如图7所示，为搭建的整车模型示例。
图7 Cruise 模型图
2 、Cruise仿真分析
仿真分析需要进行如下工作：
（1）NEDC工况和等速工况续航能力分析。NEDC 工况综合了低速行驶、中速行驶和高速行驶三种工况，能够较好地反映整车各车速下行驶的综合性能，与城市行驶工况接近。等速工况是法规要求理想状态下的工况，为评估整车续航能力提供较好的参考；
（2）整车爬坡能力分析。整车爬坡能力是衡量整车动力性的重要指标，根据整车设计要求的爬坡度，对比仿真结果能否满足最初设计要求；
（3）加速性能和最高车速分析。整车加速性能直接影响到主观驾驶体验。通过模拟，根据仿真结果验证所采用的动力系统匹配方法的合理性。
为验证匹配计算和cruise 仿真结果的可靠性，会对整车各项性能进行试验验证，对比仿真结果和测试值是否均符合设计目标要求，仿真和测试值之间的误差是否合理。
如图8和图9所示，仿真示例结果。
图8 爬坡度仿真结果图
图9 加速性能仿真结果
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