电动汽车牵引电机设计参数的校验方法

摘要

本发明涉及电动车辆上动力总成设计领域，具体为一种电动汽车牵引电机设计参数的校验方法。一种电动汽车牵引电机设计参数的校验方法，其特征是：按如下步骤实施：(1)设置匀速运动计算模块和加速运动计算模块；(2)进一步设置最高车速计算模块、常用车速计算模块、最大爬坡度计算模块；进一步设置加速运动工况计算模块：(3)设置校验模块；(4)按最大值的原则选择校验值。本发明手续简便，校验全面，结果合理。

说明书

技术领域

本发明涉及电动车辆上动力总成设计领域，具体为一种电动汽车牵引电机设计参数的校验方法。

背景技术

电动汽车的牵引电机是整车的主要动力来源，校验牵引电机设计参数时通常使用仿真建模分析，需要输入牵引电机、控制器、电池、变速箱、车轮等动力总成部件的参数计算整车性能指标，将计算结果和设计参数对比实现校验的功能。需要深入理解电池、变速箱、控制器、电机、车轮等零部件技术指标的内容，掌握复杂的参数设置，专业化程度要求较高。目前的校验方法，尚难以体现整车的典型运动工况的特征，校验步骤也较为繁琐。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，提供一种手续简便、校验全面、结果合理的参数校验方法，本发明公开了一种电动汽车牵引电机设计参数的校验方法。

本发明通过如下技术方案达到发明目的：

一种电动汽车牵引电机设计参数的校验方法，其特征是：按如下步骤实施：

(1)基于Matlab/Simulink设置匀速运动计算模块和加速运动计算模块：

匀速运动计算模块输入为整车参数、实际车速、坡道角度等信息；匀速运动计算模块主要计算电动汽车的滚动摩擦阻力、空气阻力和坡道阻力，计算阻力和当前的车速，直接计算整车牵引功率，通过转换效率换算间接计算牵引电机的功率，根据车速和电机转速的关系计算当前车速对应的电机转速，根据电机转速、电机力矩和电机功率三者的关系计算牵引电机的力矩；匀速运动计算模块输出牵引电机的功率、力矩、转速等校验参数。

加速运动计算模块输入为整车参数、坡道角度等信息；加速运动计算模块主要计算电动汽车的滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速阻力；由于此时牵引电机处于满功率加速过程，牵引电机输出的机械功率必须大于滚动阻力、空气阻力、坡道阻力三者合成阻力功率，才能产生加速功率；根据整车牵引力、车速和加速功率的关系，计算加速牵引力；按照运动学方程，加速牵引力会引起车速的变化；当车速变化时，空气阻力和牵引电机的转速、力矩都会发生变化；加速运动计算模块输出为牵引电机的功率、力矩、转速、实际车速等校验参数；

(2)在匀速运动计算模块的基础上基于Matlab/Simulink进一步设置最高车速计算模块、常用车速计算模块、最大爬坡度计算模块；在加速运动计算模块的基础上基于Matlab/Simulink进一步设置加速运动工况计算模块：

最高车速计算模块输入整车参数、最高车速、默认0度坡度值，常用车速计算模块输入整车参数、常用车速、特定坡度值，最大爬坡度计算模块输入整车参数、爬坡车速、最大坡度值；加速运动工况计算模块输入整车参数、默认0度坡度值；

整车的动力性是由纵向的受力条件决定的，通过力学分析可估算加速度、最高车速和最大爬坡度，电动汽车行驶力学平衡方程为式(1)，

F_j＝F_t-(F_f+F_i+F_w)——(1)，

式(1)中：F_t为整车驱动力，F_f为滚动阻力，F_i为坡道阻力，F_w为空气阻力，F_j为电动汽车的加速阻力；

车辆运动过程可以划分为匀速运动、加速运动两类：当式(1)中F_j＝0时整车作匀速运动；当式(1)中F_j>0时整车作加速度为正数的加速运动，当式(1)中F_j<0时整车作加速度为负数的加速运动(也称减速运动)；

对滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速阻力通过数学表达式进行计算：式(2)计算滚动摩擦阻力，式(3)计算坡道阻力，式(4)计算空气阻力，式(5)计算车辆的加速阻力，式(6)计算车辆的牵引功率，式(7)计算牵引电机的机械功率，式(8)计算通过车速计算牵引电机转速，式(9)计算牵引电机的输出力矩，式(5a)作整车车速的微分运算，进行式(5b)的积分逆运算后计算整车加速；

F_f＝m·g·f·cosα——(2)，

F_i＝m·g·sinα——(3)，

$>F_w=\frac{C_p·A·V^2}{21.5}--\left(4\right),$>

$>F_j=\frac{1000}{3600}·m·\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}--\left(5a\right),$>

$>V=\int \frac{F_j}{m}\mathrm{dt}--\left(5b\right),$>

$>P_t=\frac{1000}{3600}·F_t·V--\left(6\right),$>

P_t＝P_motor·η——(7)，

$>n=V·\frac{1000}{3600}·60·\frac{1}{2·\pi ·r}·I_{\mathrm{trans}\_\mathrm{ratio}}--\left(8\right),$>

$>{T=P}_{\mathrm{motor}}·\frac{9549}{1000}·\frac{1}{n}--\left(9\right),$>

式(2)～(9)中：F_t为整车驱动力，F_f为滚动阻力，F_i为坡道阻力，F_w为空气阻力，F_j为电动汽车的加速阻力，m为整车的满载质量，g为重力加速度，f为滚动摩擦系数，α为坡度角，C_p为风阻系数，A为迎风面积，V为整车车速，为整车车速V的微分运算，P_t为整车牵引功率，η为传动系统效率，P_motor为牵引电机机械功率，r为轮胎半径，I_{trans_ratio}为系统传动比，n为牵引电机输出转速，T为牵引电机输出力矩；

(3)设置校验模块：

对于步骤(2)中建立的最高车速计算模块、常用车速计算模块、最大爬坡度计算模块、加速运动工况计算模块，输入整车参数、车速和坡道信息，各模块分别输出牵引电机的各项校验参数，其中，最高车速计算模块、常用车速计算模块、最大爬坡度计算模块输出电机的转速、力矩、功率静态参数，加速运动工况计算模块输出电机的转速、力矩、功率动态曲线；

(4)对于步骤(3)输出牵引电机的转速、力矩、功率信息，按最大值的原则选择最高转速、最大力矩、最大功率作为校验参数，当设计参数大于校验参数时校验合格，

选择最高转速：选择最高车速计算模块的输出转速作为最高校验转速，并保留最高校验转速的10％～15％作为转速变化裕量；

选择最大力矩：选择最大爬坡度计算模块的输出力矩作为最大校验力矩，并保留最大校验力矩的15％～20％作为力矩变化裕量；

选择最大功率：当车速较低时，决定动力性能的主要是电机的最大力矩；当车速较高时，决定动力性能的主要是最大功率；对于常用车速计算模块输出的电机功率、加速运动工况计算模块输出的电机功率，选择两个电机功率中的较大值作为最大校验功率，并保留最大校验功率的8％～15％作为功率变化裕量；

选择最高转速：单级减速器时，选择最高车速计算模块输出的牵引电机实际输出转速n₁，保留Δn转速变化裕量，Δn取n₁的10％～15％，牵引电机最高转速为n₁+Δn；多级变速箱时，根据不同档位选择传动比和车速范围，分别计算对应电机转速范围，选择最大的转速n，保留Δn转速变化裕量，Δn取n的10％～15％；

选择最大力矩：单级减速器时，选择最大爬坡度计算模块输出的牵引电机实际输出力矩T₃，保留ΔT力矩变化裕量，ΔT取T₃的15％～20％，牵引电机最大力矩值为T₃+ΔT；多级变速箱时，根据不同档位选择传动比和坡度范围，分别计算电机力矩范围，选择最大的力矩T，保留ΔT力矩变化裕量，ΔT取T的15％～20％，；

常用车速最大功率：单级减速器时，选择最大爬坡度计算模块输出的牵引电机实际输出功率P₃，保留ΔP功率变化裕量，ΔP取P₃的8％～15％，常用车速最大功率为P₃+ΔP；多级变速箱时，根据不同档位选择传动比，分别计算电机功率的范围，选择最大的功率P，保留ΔP功率变化裕量，ΔP取P的8％～15％；

加速工况最大功率：单级减速器时，校验装置输出随时间变化的曲线：即车速变化曲线、电机功率变化曲线、电机转速变化曲线、电机力矩变化曲线，通过修正高速的恒定功率来满足速时间要求，保留ΔP功率变化裕量；多级变速箱时，根据不同档位选择传动比，分析在不同档位下的加速曲线，通过修正高速的恒定功率来满足加速时间要求，保留ΔP功率变化裕量；

选择最大功率：当车速较低时，决定动力性能的主要是电机的最大力矩；当车速较高时，决定动力性能的主要是最大功率；对于常用车速计算模块输出的电机功率、加速运动工况计算模块输出的电机功率，选择两个电机功率中的较大值作为最大校验功率，并保留最大校验功率的8％～15％作为功率变化裕量。

2.如权利要求1所述的电动汽车牵引电机设计参数的校验方法，其特征是：匀速运动计算模块和加速运动计算模块都选用数字信号控制器。

本发明提供了一种电动汽车牵引电机设计参数的校验装置，体现了整车的典型运动工况的特征，以Matlab/Simulink为运行平台，直接输出牵引电机校验参数，简化了动力总成设计领域中牵引电机设计参数校验的过程。

附图说明

图1是匀速运动计算模块的流程示意图；

图2是加速运动计算模块的流程示意图；

图3是整车受力分析图；

图4是匀速运动计算模块的内部结构；

图5是加速运动计算模块的内部结构；

图6是校验模块的流程示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例进一步说明本发明。

实施例1

一种电动汽车牵引电机设计参数的校验方法，其特征是：按如下步骤实施：

(1)基于Matlab/Simulink设置匀速运动计算模块和加速运动计算模块：

本实施例中，匀速运动计算模块和加速运动计算模块都选用数字信号控制器；

匀速运动计算模块功能如图1所示，匀速运动计算模块输入为整车参数、实际车速、坡道角度等信息；匀速运动计算模块主要计算电动汽车的滚动摩擦阻力、空气阻力和坡道阻力，计算阻力和当前的车速，直接计算整车牵引功率，通过转换效率换算间接计算牵引电机的功率，根据车速和电机转速的关系计算当前车速对应的电机转速，根据电机转速、电机力矩和电机功率三者的关系计算牵引电机的力矩；匀速运动计算模块输出牵引电机的功率、力矩、转速等校验参数。

加速运动计算模块功能如图2所示，加速运动计算模块输入为整车参数、坡道角度等信息；加速运动计算模块主要计算电动汽车的滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速阻力；由于此时牵引电机处于满功率加速过程，牵引电机输出的机械功率必须大于滚动阻力、空气阻力、坡道阻力三者合成阻力功率，才能产生加速功率；根据整车牵引力、车速和加速功率的关系，计算加速牵引力；按照运动学方程，加速牵引力会引起车速的变化；当车速变化时，空气阻力和牵引电机的转速、力矩都会发生变化；加速运动计算模块输出为牵引电机的功率、力矩、转速、实际车速等校验参数；

(2)在匀速运动计算模块的基础上基于Matlab/Simulink进一步设置最高车速计算模块、常用车速计算模块、最大爬坡度计算模块；在加速运动计算模块的基础上基于Matlab/Simulink进一步设置加速运动工况计算模块：

最高车速计算模块输入整车参数、最高车速、默认0度坡度值，常用车速计算模块输入整车参数、常用车速、特定坡度值，最大爬坡度计算模块输入整车参数、爬坡车速、最大坡度值；加速运动工况计算模块输入整车参数、默认0度坡度值；

车辆进行受力分析如图3所示，整车的动力性是由纵向的受力条件决定的，通过力学分析可估算加速度、最高车速和最大爬坡度，电动汽车行驶力学平衡方程为式(1)，

F_j＝F_t-(F_f+F_i+F_w)——(1)，

式(1)中：F_t为整车驱动力，F_f为滚动阻力，F_i为坡道阻力，F_w为空气阻力，F_j为电动汽车的加速阻力；

车辆运动过程可以划分为匀速运动、加速运动两类：当式(1)中F_j＝0时整车作匀速运动；当式(1)中F_j>0时整车作加速度为正数的加速运动，当式(1)中F_j<0时整车作加速度为负数的加速运动(也称减速运动)；在Matlab/Simulink平台上，匀速运动计算模块和加速运动计算模块的内部结构分别如图4和图5所示；

对滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速阻力通过数学表达式进行计算：式(2)计算滚动摩擦阻力，式(3)计算坡道阻力，式(4)计算空气阻力，式(5)计算车辆的加速阻力，式(6)计算车辆的牵引功率，式(7)计算牵引电机的机械功率，式(8)计算通过车速计算牵引电机转速，式(9)计算牵引电机的输出力矩，式(5a)作整车车速的微分运算，进行式(5b)的积分逆运算后计算整车加速；

F_f＝m·g·f·cosα——(2)，

F_i＝m·g·sinα——(3)，

$>F_w=\frac{C_p·A·V^2}{21.5}--\left(4\right),$>

$>F_j=\frac{1000}{3600}·m·\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}--\left(5a\right),$>

$>V=\int \frac{F_j}{m}\mathrm{dt}--\left(5b\right),$>

$>P_t=\frac{1000}{3600}·F_t·V--\left(6\right),$>

P_t＝P_motor·η——(7)，

$>n=V·\frac{1000}{3600}·60·\frac{1}{2·\pi ·r}·I_{\mathrm{trans}\_\mathrm{ratio}}--\left(8\right),$>

$>{T=P}_{\mathrm{motor}}·\frac{9549}{1000}·\frac{1}{n}--\left(9\right),$>

式(2)～(9)中：F_t为整车驱动力，F_f为滚动阻力，F_i为坡道阻力，F_w为空气阻力，F_j为电动汽车的加速阻力，m为整车的满载质量，g为重力加速度，f为滚动摩擦系数，α为坡度角，C_p为风阻系数，A为迎风面积，V为整车车速，为整车车速V的微分运算，P_t为整车牵引功率，η为传动系统效率，P_motor为牵引电机机械功率，r为轮胎半径，I_{trans_ratio}为系统传动比，n为牵引电机输出转速，T为牵引电机输出力矩；

(3)设置校验模块：

校验模块功能如图6所示，对于步骤(2)中建立的最高车速计算模块、常用车速计算模块、最大爬坡度计算模块、加速运动工况计算模块，输入整车参数、车速和坡道信息，各模块分别输出牵引电机的各项校验参数，其中，最高车速计算模块、常用车速计算模块、最大爬坡度计算模块输出电机的转速、力矩、功率静态参数，加速运动工况计算模块输出电机的转速、力矩、功率动态曲线；

对于图3所示的校验模块，输入、输出数据如表1所示：

表1：校验模块输入、输出对照表

说明：

①V_Max表示整车最高车速；P₁、T₁、n₁表示最高车速计算模块输出校验功率、力矩、转速；

②V_m表示整车常用车速，α₁表示爬坡度要求，通常限制在2％～8％坡度范围；P₂、T₂、n₂表示常用车速计算模块输出校验功率、力矩、转速；

③V_l表示整车爬坡车速，α_Max表示最大爬坡度要求，通常限制在20％～30％坡度范围；P₃、T₃、n₃表示最大爬坡度计算模块输出校验功率、力矩、转速；

④对于加速运动工况计算模块，输出校验功率、力矩、转速是随时间瞬时变化的曲线，通常选择曲线的最值；

⑤整车参数模块是一种参数集合，表示为数据总线结构，包括整备质量、满载质量、滚动摩擦系数、滚动半径、加速时间、迎风面积、风阻系数、传动系统效率、传动比等内容；

(4)对于步骤(3)输出牵引电机的转速、力矩、功率信息，按最大值的原则选择最高转速、最大力矩、最大功率作为校验参数，当设计参数大于校验参数时校验合格，

选择最高转速：选择最高车速计算模块的输出转速作为最高校验转速，并保留最高校验转速的10％～15％作为转速变化裕量；

选择最大力矩：选择最大爬坡度计算模块的输出力矩作为最大校验力矩，并保留最大校验力矩的15％～20％作为力矩变化裕量；

选择最大功率：当车速较低时，决定动力性能的主要是电机的最大力矩；当车速较高时，决定动力性能的主要是最大功率；对于常用车速计算模块输出的电机功率、加速运动工况计算模块输出的电机功率，选择两个电机功率中的较大值作为最大校验功率，并保留最大校验功率的8％～15％作为功率变化裕量；

选择最高转速：单级减速器时，选择表1所示最高车速计算模块输出的牵引电机实际输出转速n₁，保留Δn转速变化裕量，Δn取n₁的10％～15％，牵引电机最高转速为n₁+Δn；多级变速箱时，根据不同档位选择传动比和车速范围，分别计算对应电机转速范围，选择最大的转速n，保留Δn转速变化裕量，Δn取n的10％～15％；

选择最大力矩：单级减速器时，选择表1所示最大爬坡度计算模块输出的牵引电机实际输出力矩T₃，保留ΔT力矩变化裕量，ΔT取T₃的15％～20％，牵引电机最大力矩值为T₃+ΔT；多级变速箱时，根据不同档位选择传动比和坡度范围，分别计算电机力矩范围，选择最大的力矩T，保留ΔT力矩变化裕量，ΔT取T的15％～20％，；

常用车速最大功率：单级减速器时，选择表1所示最大爬坡度计算模块输出的牵引电机实际输出功率P₃，保留ΔP功率变化裕量，ΔP取P₃的8％～15％，常用车速最大功率为P₃+ΔP；多级变速箱时，根据不同档位选择传动比，分别计算电机功率的范围，选择最大的功率P，保留ΔP功率变化裕量，ΔP取P的8％～15％；

加速工况最大功率：单级减速器时，校验装置输出随时间变化的曲线：即车速变化曲线、电机功率变化曲线、电机转速变化曲线、电机力矩变化曲线，通过修正高速的恒定功率来满足速时间要求，保留ΔP功率变化裕量；多级变速箱时，根据不同档位选择传动比，分析在不同档位下的加速曲线，通过修正高速的恒定功率来满足加速时间要求，保留ΔP功率变化裕量，ΔP取高速的恒定功率P的8％～15％；

选择最大功率：当车速较低时，决定动力性能的主要是电机的最大力矩；当车速较高时，决定动力性能的主要是最大功率；对于常用车速计算模块输出的电机功率、加速运动工况计算模块输出的电机功率，选择两个电机功率中的较大值作为最大校验功率，并保留最大校验功率的8％～15％作为功率变化裕量。