[摘要] 目前由于没有电动车性能设计标准，市场上的电动车性能（最高车速、续持里程）各有不同。由于目前的动力电池性能（比能量、比功率、耐久性及成本）还不是很理想，如何确定纯电动车动力系统的设计指标才能满足出行需要，同时又兼顾成本、可靠性和耐久性？本文以奇瑞公司生产的微车QQ3（汽油机版）为原型，进行微型纯电动车的性能匹配（包括驱动电机、电池容量选型等等）与仿真研究。在研究过程中考虑了以下因素的影响：（1）行驶路况；（2）驱动电机最高效率区；（3）整车最大的载重能力；（4）日出行里程；（5）居民家庭的配电容量；（6）电池耐久性；（7）电池的初始投资成本等等。
目前，由于没有电动车性能设计标准作为参考，许多电动车的设计续持里程和最大车速都相差较大，例如日本Eliica电动车的设计最大续持里程和最高车速分别为320km和400km/h；比亚迪的E6电动车设计续持里程和最高车速分别为300km和160km/h；而SMART for-two 电动车设计里程与最高车速只有115km和100km/h。由于当前的动力电池性能（比能量、比功率、耐久性和成本）还不是很理想。如何设计电动车的性能指标才能兼顾适用、成本、可靠性和耐久性？本文基于QQ3为原型，以满足I级城市需要为设计目标，进行了微型电动车的匹配与仿真研究。
1. 基本参数确定
由于参数的确定是基于车辆的行驶工况来确定的，因此必须首先对驾驶循环和车辆行驶的道路设计规范进行充分的了解。乘用车城区和快速路况循环工况如图1、图2所示[1]，平均车速在20~60km/h，最高车速为118.43km/h。根据“城市道路设计规范”[2]规定的各类各级道路的计算行车速度如表1示。城市的道路被分为4类，除了快速路外，每类道路按照所占城市的规模、设计交通量、地形等分为 3个级别（I、II、III级），大城市应采用各类道路中的I级标准，中小城市按II标准；小城市应采用III级标准。中国城市各级道路允许的最大坡度和最长斜坡长度分别为9%和600m，见表2和表3。中国其他的公路设计的最大坡度也≤9%，见表4。车库允许的最大坡度≤15%，见表5。考虑到电动车一般在城市中运行，因此电动车的基本设计指标如表6示。
2.2 驱动功率与车速、爬坡度关系
对于理想的道路负载特性，即：空气绝对速度为零、良好的水泥路面。微车在道路上行驶，牵引电机需要克服行驶阻力（Ft），包括滚动阻力（Ff）、空气阻力（Fw）、坡度阻力（Fi）和加速阻力（Fj）。行驶阻力的计算公式如下：
3. 牵引电机选型
牵引电机的选型方法有3种。即（1）根据车辆阻力计算方法；（2）根据经验选取方法；（3）根据车辆运行工况计算方法。
3.1 根据车辆阻力计算方法
将行车阻力折算到电机输出转矩，可以得到图5。 根据《城市道路设计规范》[2]要求的坡度与计算行车速度（参见表2），动力系统选型时必须考虑以下几个关键点：
（1） 保证微车能在坡度为9%的道路上以速度30km/h运行。
（2） 保证微车能在坡度为8%的道路上以速度40km/h运行。
（3） 保证微车能在坡度为7%的道路上以速度50km/h运行。
（4） 保证微车能在坡度为7%的道路上以速度60km/h运行。
（5） 保证微车能在坡度为6%的道路上以速度80km/h运行。
同时转矩还保证能够以10km/h爬上20%的坡度。因此可以确定牵引电机在以上条件下运行功率如下：
因此，针对不同城市，牵引电机的最大功率设计应该大于表9的数值。
牵引电机最大功率的持续时间也列在表9中。电机最大功率持续运行时间由《城市道路设计规范》中的坡长来计算。如在具有快速路况的大型城市，规定道路5%坡度的最长距离为600米（参见表3）如果车辆以最高车速80km/h行驶（此时电机牵引功率最大），则运行的持续时间为27s（即600/80000×3600）。
由于山区城市任意连续3000m长度范围内的平均纵坡度不宜大于4.5% [2]，因此电机持续最大驱动功率以4.5%坡度为参考点。此时 kW23)km/h80%,5.4(≈P kW15)km/h60%,5.4(≈P kW11)km/h50%,5.4(≈P kW8)km/h40%,5.4(≈P
3.2 根据经验选取
汽车基本的动力参数统计如表10示[3]，由于QQ3微型纯电动车总车重为1.255t，根据表10，电机的最大功率应在23~63kW之间（原车最高功率为38kW）。
3.3 根据运行工况计算
在选择牵引电机的额定功率时，还可以将乘用车典型工况的统计数据作为一个重要的参考依据，以此作为参考依据有两个好处：一是可以选择较小的牵引电机额定功率，二是可以提高经济性。
在乘用车城区工况下（参见图1），电机工作点、分布密度图、能量密度分布分别如图6、图7和图8示。可见在城区工况下，电机最大功率不大于38kW，且大部分工作点在15kW以下。根据城区工况计算的平均功率约为3.25kW。
同样地，也可以获得快速工况下电机工作点、分布密度图、能量密度分布。分析得出电机最大功率约为45kW，且大部分工作点在20kW以下。快速路况平均功率为9.14kW。
综合上述分析，对具有快速路况的大城市，电机最大功率选取30kW，持续功率选取23kW。从电机城区工况可见大部分工况点落在转速500~2500rpm之间（图6、7、8），转矩大部分小于250Nm。快速工况下，电机大部分工况点落在转速1500~3000rpm之间，转矩在200Nm以下。由于微型纯电动车主要路况为城区，如果选用最高转速为6000rpm的电机，为了使电机大部分工作点位于最高效率区，必须配备电机减速器，本文设减速比为1.37。本文研究中所用的电机效率MAP是根据图9按转矩、转速比例缩小而成，如图10示。
图10: 本课题研究采用的驱动电机效率Map图
3.4 电机工作电压选择
工作电压高，驱动电机体积小，工作电流小，效率有所提高。一般功率大的驱动电机采用高电压方案。Prius电机额定30kW，最大50kW的电机，电压为200-500V（蓄电池电压201.6VDC，通过逆变器与母线电压配）[4]。2005款雅阁混合动力驱动电机[5]最大功率12.5kW，工作电压为144V。因为选择的电机最大功率为30kW。因此，电压可以在144~500之间考虑。目前在市场上电压为300V左右，如上海电驱动公司生产的额定30kW （最大70kW）电机电压为320V[6]。
4. 整车动力性核算
根据上述牵引电机，对整车的动力性指标进行核算，看是否能够达到预定技术指标。
4.1 整车的最高速度及爬坡性能
根据选择的电机、电机减速器及车辆匀速运行阻力特性曲线，可得图11。
可以得知:
(1) 如果电机的最高转速为6000rpm，电机减速比为1.7，车辆主减速比为4.412，理论最高车速达到100km/h。根据选用的电机，最高车速也可达到100km/h。
(2) 电机最高转矩为180Nm时（电机减速器1.7、主减速器4.412），最大爬坡度可达30%左右。
(3) 具有减速器的电机在城区工况和快速工况下的工作点效率高（相对于没有减速器的电机）。除了车速超过100km/h外（可以通过采用两档变速箱解决高速问题），加速和车速基本能够达到工况要求。
4.2 整车的加速时间
加速性能可以根据2.2章节中的公式计算。计算得到满载时0-50km/h的加速时间约为8s，满足表6的设计要求。
5. 系统仿真分析
模型是基于Matlab Simulink来建立的，见图12。所有的部件模型都是基于MAP来建成。全文仿真中采用的重量除特别说明外，均以满载计算（总重均为1255kg）。空调不开时，附件平均功率取0.3kW（Focus电动车附件平均功率0.6kW，prius附件平均功率为0.7kW，本田insight附件平均功率0.2kW，数据来自advisor软件）。空调开启时，附件功率除了考虑0.3kW外，还考虑根据不同外界环境下空调平均功耗，取为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4（QQ汽车采用南京奥斯佳WXH-066-E空调压缩机轴功率为1.4kW）。
假设电机能量效率为85%，电机最大功率为30kW，因此需要的电池总功率为38kW左右。 5.2 匀速行驶车速、附件功耗与电耗的关系 匀速行驶车速与电耗关系呈鱼钩状，见图13。车速在20-60km/h之间电耗较低。最低电耗点随附件功率增加逐渐从20km/h移至40km/h。由于低速时附件功率占的比例较大，因此附件在低速时对电耗影响大。而高速时，由于附件功率占总功率的比例小，因此高速时，附件功率对电耗的影响较小。
5.3 城市工况、附件功率与电耗关系
电量的消耗受到附件功率的影响。在城市城区工况下，附件功率与电耗关系如图14示。附件功率每增加100W，电耗增加约3.5%，回馈制动可以节电约3kWh/100km，经济性提高约20%左右，续持里程达到设计里程（以40km/h匀速行驶里程）的80%。在城市快速工况下，附件功率每增加100W，电耗增加约1%，回馈制动可以节电约2kWh/100km，经济性提高约12%左右，续持里程达到设计里程（以40km/h匀速行驶里程）的65%。
5.4 车重与电耗关系
车重增加会导致电耗的增加。每增加100kg重量，在匀速工况、城区工况和快速工况下的电耗分别增加0.5kW/100km, 0.67~0.95kWh/100km（见图15）和0.55~0.74kWh/100km，相当于增加总电耗的3~6%, 6~8% 和5%。
5.5 电池容量的确定
系统电池容量的确定必须考虑以下几个因素：（1）设计续持里程；（2）路况；（3）电池组一致性；（4）最低允许的荷电状态；（5）电池寿命；（6）每天的行驶里程；（7）家庭充电的配电容量等等。
通常续持里程一般以40km/h匀速行驶的距离来确定。根据车重与电耗关系，重量每增加100kg，40km/h匀速行驶的电耗增加约5%。在城区与快速路况下，具有回馈制动的电动车持续里程只能达到设计里程的80%和65%。假设：
电池能量密度为100Wh/kg（磷酸铁锂电池）。
z 目前电池单体之间组装后，电池单体存在容量不一致，导致电池组的可用容量只达到单体的额定容量的90%。
z 纯电动车电池荷电状态（SOC）使用范围为100~20%（考虑预留20%的余量）。
z 电池寿命定义为容量衰减到其初始容量80%。 电池容量与设计里程、承载能力和电池放电倍率的关系如表11示。可以得到如下结论：
（1) 随设计续持里程增加，车辆载重能力减小，当
设计续持里程增加到200km时，如果车辆不经过特殊改装，可承载重量只有1人，已经不具备实际意义。以可承载重量衡量，设计续持里程<120km比较合理，此时可承载重量>200kg。
（2) 设计续持里程不能太小，因为设计里程小，电池放电倍率变大，不利于电池耐久性。设计续持里程>80km比较合理，此时持续电池放电倍率<1.5C，最高放电倍率<3.45C；(根据目前电池的性能水平，能量型磷酸铁锂瞬时最高放电倍率为3C左右、持续最大放电倍率1.5C左右）。
根据中国车辆日行驶里程，设计续持里程 >80km，才可能满足70%人群的需要（见图16）。
根据住宅设计规范[7]，四类套型房屋（使用面积68m2），用电负荷标准不能低于4kW，目前新建住宅，江苏、上海等地方标准中已将三类住宅（使用面积56m2）每户负荷提高到６kW、四类住宅每户负荷提高到８kW[8]。如以每户平均用电负荷5kW计，夜间可用于充电的电功率约3kW左右。如果按3小时充电（约0.3C），最大可接受充电的电池容量应<9kWh；如果按6小时充电（约0.2C），最大可接受充电的电池容量应<18kWh；如果按10小时充电（约0.1C），最大可接受充电的电池容量应<30kWh。
6. 结论
根据上述对城市道路工况、电池容量计算分析，要满足I级城市车辆（以QQ车为原型）的需求，有以下结论：
微型车配备峰值功率为30kW，持续最大功率为23kW的驱动电机就可以满足大城市出行需要。
最大爬坡度大于20%就可以满足大部分道路的需要。
最大车速100km/h即可满足大型城市的出行需要。
匀速行驶，电耗与车速呈鱼钩状，车速在20-60km/h之间电耗最低。
回馈制动在城区和快速路况下分别可以节省约20% 和12% 的能量。
城市城区工况下，车辆持续行驶里程约为设计里程的80%。
城市快速路况下，车辆持续行驶里程约为设计里程的65%。
车辆附件功率对电耗影响大。
增加车辆重量会导致电耗增加。
随着设计里程的增加，车辆的承载能力会降低。设计里程不宜超过120km ，否则车辆承载能力会低于200kg 。
考虑微车电池耐久性，设计里程不应低于80km。
根据日人均出行里程统计，设计里程大于80km，可以满足70%人群日出行的需要。
根据家庭房屋的配电能力，设计里程不宜大于120km。