知識文章

電動車整車性能模擬與元件選用分析

2010 / 05 / 12

研發處 / 電動車與系統驗證工程專案 陳建安

近年來,有關?電動汽車的研究主要集中在能量儲存系?(如動力電池)、驅動系?和控制策略的研究,然而,在動力電池和其他技術未突破之前,對傳動系統組件進行匹配將是提升純電動汽車性能的重要工作之一。純電動汽車動力傳動系統的?數設計,如馬達功率及其輸出轉矩、傳動系統傳動比以及彼此間的匹配問題等,對純電動汽車的動力性、續駛里程都有明顯的影響。因此在純電動汽車研究和開發階段,往往依據不同的性能需求,對驅動系?的參數進行最佳化匹配,並結合整車來考慮各部件間的運作情?,以獲得滿足整車特性要求的最佳結構,並有利於純電動汽車的快速發展和廣泛應用。
 
電動車輛傳動系統組件之匹配,除了滿足整車性能之要求外,亦需考量組件之特性來予以調配。以動力馬達之選用說明為例,首先依其市區或郊區運轉需求及馬達具有特性(效率、轉速範圍、工作溫度、成本…)選用馬達種類(PM、IM、SRM…),其次再依其整車性能規格需求(爬坡能力、最高車速…)規劃出其馬達所需動力輸出特性曲線(T-N及P-N),如圖一所示,其藉由加速能力、爬坡能力及最高車速需求規劃出其所需之峰值/額定轉矩及峰值/額定功率需求。而在動力電池的選用上,亦是依據電池特性(放電能力,安全性,充電時間,能源效率,循環壽命)評估選用之電池之類型,再者依其行車型態要求(FTP、ECE+EUDC…)及放電電流需求來評估所需之電池電量及電壓。至於在減速機構的選擇上,則由馬達性能和整車動力性能的要求來決定,如果所選馬達的調速範圍足?寬,且其動力輸出特性(轉矩)能達到整車性能(最高車速、爬坡能力)的要求,就可以直接採用固定減速比。而在具備以上的基本需求外,在動力馬達及動力電池亦有如下之要求指標:
 
*動力馬達的要求主要如下:
(1)較寬的調速範圍及較高的轉速
(2)較大的啟動轉矩
(3)體積小、重量輕、效率高
(4)動態制動強和能量回饋的功能
 
*動力電池的要求主要如下:
(1)具有高能量密度(w·h/kg)及功率密度(W/kg)
(2)長的生命週期
(3)充電的方便及快速
(4)製造成本低
(5)低?阻及低自放電率
(7)能在符合車規?度範圍?工作
(9)使用安全

圖一 動力馬達動力特性曲線圖

 電動車研發過程中,除了依據性能規格選擇適當的組件外,其亦需針對整車性能做模擬,其目的在於反覆驗證及初步瞭解其整車性能及零組件之運作狀態。目前較常使用的模擬軟體其特色及功能分析如表一所示。

在這些模擬軟體中,各有其特屬功能,且依其特色亦有所謂的前向及後向模擬方法的區分,係依能量傳輸方向來定義,若從車輛運行的工況阻力反推至零組件之方式,稱之為後向模擬法,反之,則稱為前向模擬法,其示意圖如圖二所示。最終,不論採用何種模擬軟體進行分析,其各零組件的建構真實性,仍是整體模擬真實性的重要指標,因此在擁有良好的規格選配技術及完備的分析模擬軟體下,如何完成其真實性的零組件特性模型的建構,將是未來研究的重要議題。

 
表一 電動車模擬分析軟體特色及功能分析

軟體名稱
模擬車型
功能特色
SIMPLEV3.0
EV,PHEV,,客車及貨車
可以定義部件模型的參數,選擇道路工況,以圖表方式呈現模擬結果
V-Elph
EV,PHEV,
易於改變車輛的配置
MARVEL
EV,PHEV,
具有精確的電池模型和最佳化設計功能
ADVISOR
EV,PHEV,FCV,,客車及貨車
模型較完整,功能多,採用後向模擬方法
PSAT 5.1
EV,PHEV,FCV,,客車及貨車
模型較完整,功能多,採用前向模擬方法,具有即時模擬及快速建構原型功能
EVSIM
,客車及貨車
綜合軟,硬體的視覺化環境,具有設計及最佳化功能,智慧化的虛擬現實系統

 

 

圖二 模擬方法示意圖(資料來源:武漢理工大學學報 27卷 第3期 2005.03)

 

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