10.16638/jki.1671-7988.2021.010.001
基于层次分析法的电动乘用车动力性和
经济性分析*
姚起宏1，黄亮昌1，王鹏1，朱继伟2，张松3，杨蓉1*
（1.广西大学机械工程学院，广西南宁530004；2.比亚迪汽车工业有限公司，广东深圳518118；
3.广西玉柴机器集团股份有限公司，广西玉林537005）
摘要：根据整车参数和动力性设计要求，计算电动乘用车所需电机的关键参数并选出三款电机。根据当前市场主要动力电池类型，为该车选择了三款动力电池包，分别计算出它们所需串、并联单体电池的个数，并根据电池选型修正了整车质量。此外，根据动力性能要求对单级主减速器的最大减速比进行了修正。然后，采用仿真分析法对电动汽车开展了一系列模拟实验测试，如NEDC循环工况测试、60km/h等速行驶工况测试和最大爬坡度测试实验。 最后，运用层次分析法研究出该款电动乘用车的动力性和经济性综合最优匹配方案。
关键词：电动乘用车；层次分析法；动力性；经济性
中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)10-01-08
Power and Economic Analysis of Electric Passenger Vehicle Based
on Hierarchical Analysis Method*
Yao Qihong1, Huang Liangchang1, Wang Peng1, Zhu Jiwei2, Zhang Song3, Yang Rong1*
( 1.College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Guangxi Nanning 530004;
2.BYD Automobile Industry Co., Ltd., Guangdong Shenzhen 518118;
3.Guangxi Yuchai Machinery Company Limited, Guangxi Yulin 537005 )
Abstract: According to the design requirements of vehicle parameters and power performance, the key parameters of electric motor for electric passenger vehicle were calculated and three types of motors were selected. According to the main power battery types in the current market, three power battery packs were selected for this car. The number of series and parallel cells were calculated resp
ectively. Then the quality of the whole vehicle was corrected according to the battery selection. In addition, the maximum reduction ratio of the single-stage main reducer was modified according to the requirement of vehicle power performance. After that, a series of simulation experiments were carried out for the electric vehicle with simulation analysis method, such as NEDC test, 60km/h constant-speed driving test and maximum climbing slope test. Finally, analytic hierarchy process (AHP) is used to study the comprehensive optimal matching scheme of power performance and economic performance of this electric passenger vehicle.
Keywords: Electric passenger vehicle; Hierarchical analysis method; Power; Economic
CLC NO.: U469.72 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)10-01-08
作者简介：姚起宏（1966-），男，高级工程师，广西大学机械工程学院，研究方向为机械设计、车辆测试与分析技术等。通讯作者：杨蓉（1984-），女，讲师，博士，就职于广西大学机械工程学院，研究方向为车辆测试与分析技术、智能驾驶相关的图像识别和混合动力汽车控制策略等。基金项目：广西科技基地和人才专项项目（AD19110019）；广西创新驱动发展专项（AA18242045-3）；广西教育厅科研项目（2018KY0024）；南宁市科技局重点研发计划项目（20192065）。
1
汽车实用技术
2 引言
2019年全国机动车保有量达到3.48亿辆，比2018年增长6.4%[1]
，机动车保有量的不断增加，必然导致机动车所消耗的总燃油量日益增加。据统计2019年我国原油对外依存度已经高达70.8%[2]。降低对进口石油的依赖，加快可再生能源产业发展速度，比如电动汽车，减少石油的消耗，已成为我国保障国家能源安全的战略措施。此外，电动汽车用电池、电机驱动，无需自动变速箱，结构更简单、效率更高。电动汽车有三个关键技术即电机、电池、电控。其中电机系统是电动汽车的核心部件之一。选择合适的电机是提高各类电动汽车性价比的重要因素。与此同时，动力电池是电动汽车的另一个关键技术，目前市场上主要有铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池、磷酸铁锂电池等。电池的选型对电动车的续航里程和成本有较大影响[3]
。在电动汽车的研发和优化阶段，电机和电池的选择和匹配会对整车的动力和经济性产生重要影响。因此，探索电动汽车的电机和电池选型匹配方法，分析其对汽车动力性、经济性的影响非常重要。
本文拟运用汽车理论分析某款电动乘用车所需匹配的电机和电池参数，然后运用层次分析法对电动汽车动力系统的多种匹配方案进行对比分析和寻优。
1 电动汽车整车参数和设计目标
电动汽车整车参数如表1所示。整车动力性设计目标如表2所示。
表1 电动汽车整车参数
表2 整车动力性设计目标
2 电机选型
电动汽车驱动电机的选用与整车配置、用途、档次有关，主要有如下特点：能频繁地启停、加减速，对转矩控制的动态要求比较高，低速爬坡时要求高转矩，高速行驶时要求高转速。设计驱动电机的主要参数有：最大功率、额定功率和转速范围[4]。 2.1 最大功率
汽车的行驶方程如公式（1）所示，式中：T tq 为电机转矩，ηT 为机械系统总传动效率，f 为滚动阻力系数，在良好的混凝土路面一般取0.010~0.018，本文取0.018，i gi 与i 0分别为变速箱速比与主减速比，C D 与A 分别为风阻系数与迎风面积，δ为旋转质量转换系数。汽车最大功率通常出现在最高车速工况、最大爬坡度工况或者加速工况。为了进一步确定所设计汽车的最大功率，需要分别计算最高车速、最大爬坡度和加速工况所对应的最大功率。
（1）
2.1.1 考虑最高车速时
根据汽车的行驶方程，可得到最大功率估算公式（2）。式中：P max 1为计算出的最大满足要求的功率，该功率必须要满足汽车能以最高稳定车速行驶。
（2）
由于汽车的最高车速通常出现在道路平直的路况下，且匀速行驶，因此在行驶平衡方程式中忽略坡度和加速对功率的影响，将α=0和
代入上式后得到公式（3）。式中u max
为汽车设计最高车速。解得P max 1=31.27kW 。
（3）
2.1.2 考虑最大爬坡度时
由于所选择的驱动电机的最大功率保证汽车顺利爬陡坡的能力，根据设计要求可知所设计车型的最大爬坡度i max =20%。根据公式i =tan α=0.2，求得αm =11.31°。式中αm 为最大爬坡的坡度角度数。代入公式（1）可以计算得到爬陡坡所需的最大功率。设爬陡坡过程中，汽车均速行驶，即忽略加速阻力，得到最大功率计算公式（4）。式中P max 2为电机最大功率，u i 为最大爬坡度时对应的车速，解得P max 2= 30.18kW 。
（4）
2.1.3 考虑加速性能时
汽车加速性能多考虑道路平直的路况，所以在行驶平衡
方程式中不计算坡道阻力，相关计算见公式（5）。式中，P max 3
姚起宏 等：基于层次分析法的电动乘用车动力性和经济性分析
3
为满足该电动汽车最大加上性能时所要满足的最大功率；δ为质量换算系数取1.25；v f 为加速结束后的车速取100km/h ；v b 为电机基速对应的车速取30km/h ，ρa 为空气密度取1.2258kg/m 3，计算得出P max 3=37.20kW 。
（5）
综合最高车速、最大爬坡度和加速性能的最大功率计算结果，最终确定所需电机的最大功率是37.2kW 。 2.2 额定功率
电动汽车驱动电机的峰值功率与过载系数λ有关，由公式（6）计算。
（6）
式中过载系数λ一般取2~3，本文取2，计算得出电机的额定功率为P e =18.6kW ，所以选取电机时，要求其额定功率大于18.6kW 。 2.3 转速范围
从最高转速的高低划分，驱动电机分为低速电机、中速电机和高速电机，低速电动机的最高转速一般在（3000~ 6000）r/min 左右，中速电机最高转速一般在（6000~10000）r/min 左右，高速电机的最高转速高于10000r/min 。电机的最高转速越大，对制造工艺和制造精度要求越高，所需要的成本也越高，针对市面上现有的电动乘用车来看，参考选取中速的驱动电机，其最高转速在（7500~10000）r/min 左右。 2.4 电机选型
表3 三款电机的参数
图1 电机一的功率与转速关系
图2 电机二的功率与转速关系
图3 电机三的功率与转速关系
结合以上功率的计算分析和对转速的选择，参考现有文献和相关的电机功率的选取方式，本文选取三款电机，其基本参数如表3所示，功率-转速特性曲线如图1~图3所示。
3 电池选型
动力蓄电池作为电动汽车发展的最关键部件之一，其应用在电动汽车上需满足以下几个要求：高的比能量和比功率；快速充电的深度放电能力；自放电率小，充电效率高；使用性能好，使用寿命长；工作温度范围大；安全，对环境无危害，且可回收性能好[5]。
随着电动汽车的发展目前为止电动汽车的电池主要有以下几种，铅酸蓄电池、镍铬电池、镍锌电池、锌空气电池、钠硫电池、锂离子电池、超级电容、磷酸铁锂电池等。其中铅酸蓄电池技术最成熟，最安全，成本也低，是电动汽车的可选动力电源。但比能量、比功率都比较低[5]。超级电容电池的成本很高，不实惠，对于需要控制成本的电动汽车不是理想的动力来源。燃料电车是今后发展的重点方向，但目前存在成本高的问题，期待未来成熟的技术将成本控制下来，此外相关的燃料电池加气站点的普及率较低。镍金属蓄电池要求有可靠的能量管理系统，系统比较复杂，但也可以用于电动汽车的能量源。锂离子电池的单体电池电压大、体积小、比功率、比能量高、循环寿命长，相比之下更能够满足电动汽车的要求。由以上对各种电池的优缺点分析，选取三款电池，分别是锂离子电池、磷酸铁锂、镍氢电池，用以比较不同性能参数的电池匹配电机对整车动力经济性的影响。三款电池的性能如表4所示。
表4 三种蓄电池的性能
[5]
3.1 电池一（锂离子动力电池）
3.1.1 单体电池特性
锂离子动力电池单体电池的具体参数如表5所示，其单
体电池的SOC 特性曲线如图4所示。后文中将用“电池一”代表锂离子动力电池。
汽车实用技术
4 表
5 电池一单体电池具体参数
图4 电池一单体电池的SOC 曲线
3.1.2 电池包串并联单体电池个数
由于电池组串联个数决定了电池组匹配电机的额定电压，本文选取的三款电机的额定电压都为U =320V ，而单体锂离子电池的额定电压U 1=4V ，因此由公式（7）可知需要串联的电池个数为80个。
电动汽车的电池组并联个数由满足电动汽车的续航里程S 所需要的能量W B 决定，运用公式（8）和（9），可得公式（10）。公式（10）中v avg 为汽车平均时速，取60km/h ；ηm 为电机效率，取0.95；ηdis 为电池的放电效率，取0.95；ηacc
为附件能耗比值，取0.12；DOD 为电池的放电深度，取0.85；最后计算得到C E
≥190Ah 。
（7）
（8）
（9）
（10）
而串联电池组的电容C 1≥10Ah ，因此需要并联的个数n '1由公式（11）计算得n '1=19个。
（11） 整个电池一的电池包的能量计算，由公式（8）有：W B = UC E /1000=60.80kW .h 。
3.1.3 电池包质量
电池包的质量M 可以由公式（12）计算得到，式中ρ为电池能量密度，锂离子电池的能量密度为550W ·h/kg 。根据公式（12）计算得电池一电池包的质量为110.54kg 。由于整车的空载质量1200kg 和满载质量1580kg 中包含电池包的重量，由此就可以得到没有电池包后的整车质量。
（12）
3.2 电池二（磷酸铁锂动力电池）
3.2.1 单体电池特性
磷酸铁锂动力电池单体的具体参数如表6所示，其SOC 特性图如图6所示。后文中将用“电池二”代表磷酸铁锂动力电池。
表6 电池二单体电池具体参数
图6 电池二单体电池的SOC 曲线
3.2.2 电池包串并联单体电池个数
由于电池二的单体电池的额定电压为U 2=3.2V ，由公式
（13）计算可知，运用电池二在满足电机额定功率的条件下
需要串联的个数为100个。 电池组并联个数的确定运用公式（10）计算得C E ≥
190Ah 。电池二串联电池组的电容C 2=10Ah ，因此需要并联
的个数n '2，由公式（14）计算得n '2=19个。
（13）
（14）
整个电池二的电池包的能量计算，由公式（8）有：W B = UC E /1000=60.8kWh 。
3.2.3 电池包质量
电池包的质量可以由公式（12）计算得到，其中磷酸铁锂电池的电池能量密度为550W ·h/kg ，计算得电池二电池包的质量为110.54kg 。因为磷酸铁锂电池的能量密度和锂离子电池的能量密度相同，在不考虑更换电机质量变换的情况下，改电动汽车更换电池二电池包后的空载质量为1200kg ，满载质量为1580kg 与安装电池一电池包的车重情况完全相同。 3.3 电池三（镍氢动力电池）
3.3.1 单体电池特性
镍氢动力电池单体的具体参数如表7所示，其SOC 特性图如图7所示。后文中将用“电池三”代表镍氢动力电池。
姚起宏 等：基于层次分析法的电动乘用车动力性和经济性分析
5
表7 电池三(镍氢电池)单体电池具体参数
图7 电池三单体电池SOC 曲线电动汽车动力
3.3.2 电池包串并联单体电池个数
由于电池三的单体电池的额定电压为U 3=7.2V ，由公式（15）计算可知，运用电池三在满足电机额定
功率的条件下需要串联的个数为45个。
电池组并联个数的确定：电动汽车的续航里程所需要的能量W B 同前文计算结果相同，即C E ≥190Ah 。而电池二串联电池组的电容C 3=5Ah 因此需要并联的个数n'1，由公式（16）计算得到n'3=38个。
（15）
（16） 3.3.3 电池包质量
由于W B =UC E /1000=60.95kWh ，镍氢电池的电池能量密度为70W ·h/kg ，由公式（12）计算得电池三电池包的质量为868.57kg 。由于镍氢电池的电池密度较低，计算得到的电池三电池包的质量比电池一、电池二的电池包的重量要重。所以安装有电池三电池包的整车质量将发生变化，其空载质量为1958.03kg ，满载质量为2338.03kg 。
4 单级主减速器的传动比
由于所设计的电动乘用车采取电机匹配单级主减速器的方案，而且单级主减速器传动比与电动汽车的最高车速和最大爬坡度等动力要求参数有关，故而需要对单级主减速器的最大减速比进行计算校核。
将所选择的电机的最高转速以及该电动汽车的设计最高车速带入公式（17）进行计算，式中i g 为变速
器的变速比，本文没有变速器所以取i g =1；n ρ为电机的最高转速，取10000r/min ，u max 为该电动汽车设计的目标最高车速。最后计算得到i 0≤8.7。
（17）
再根据该电动汽车的设计最大爬坡度核算主减速器的主减速比，计算方法如公式（18）所示，式中i =tan αm =0.2，即αm =11.31°，αm 为最大爬坡度；u i 为爬最大坡时的速度，取30km/h ；T max 为最大转矩，这里取三台电动机最大转矩最小的T 1max =144Nm 。计算得到i 0≥7.54。
由以上分析可知，采用单级主减速器时，主减速器的减速比应在7.54~8.7之间。对比表1中所给出的电动汽车设计主减速比6.058，可以发现该值不符合电动汽车的最大爬坡和
最高车速的要求。因此修正单级主减速器的主减速比，取值i 0=8.2。
（18）
5 模型仿真评价指标和虚拟实验测试
研究采用A VL Cruise 软件对电动汽车的动力系统选配方案进行动力性和经济性模拟分析，并在软件中开展了NEDC 循环工况、60km/h 等速行驶工况和最大爬坡度模拟实验。
5.1 评价指标
由于研究主要针对的是动力性和经济性，且目前我国乘用车经济性测试分析主要通过NEDC 循环工况和等速60km/h 行驶工况的能量消耗来判断，所以本文主要研究的指标包括：
（1）动力性指标：电动汽车能达到的最高车速U max ；电动汽车0-100km/h 的加速时间t ；电动汽车的最大爬坡度i max 。
（2）经济性指标：NEDC 工况下的续航里程；NEDC 工况下百公里电耗；等速60km/h 工况下的续航里程；等速60km/h 工况下百公里电耗。
整车动力性和经济性仿真建模所选电机参数如表3所示，所选电池参数如表8所示。进而得到电池和电机的组合测试方案如表9所示。最后得到的动力性和经济性仿真结果分别如表10和表11所示。
表8 三种电池包的参数
豫公网安备41160202000603
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