純電動汽車建模與仿真

黃冠 崔俊杰

【摘要】本文分析了cruise軟件建模仿真過程，通過給定電動汽車滿足的汽車動力性能及續(xù)駛里程，對電動汽車的動力電池、電動機(jī)進(jìn)行了參數(shù)匹配，利用cruise軟件建立了電動汽車模型，通過仿真分析驗證電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)能滿足汽車性能。

【關(guān)鍵詞】純電動汽車;動力系統(tǒng);Cruise

1.引言

純電動汽車是未來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢之一。在純電動汽車的設(shè)計過程中，最關(guān)鍵的是保證汽車的動力性和續(xù)駛里程數(shù)。本文通過根據(jù)給定動力性能要求對純電動汽車動力系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計，利用 cruise軟件建立了純電動汽車模型，通過仿真實驗對純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。

2.純電動汽車建模

2.1 汽車參數(shù)及滿足的性能

純電動汽車具體參數(shù)如表1所示。

表1 純電動汽車參數(shù)

參數(shù)名稱 數(shù)值 參數(shù)名稱 數(shù)值

汽車滿載質(zhì)量（kg） 1500 路面滾動阻力系數(shù)f 0.02

空氣阻力系數(shù)Cd 0.3 迎風(fēng)面積A（m2） 2.0

車輪半徑（mm） 305 傳動效率 0.92

性能要求：

加速時間（從0km/h到100km/h）12s±1s

最大爬坡度（v0=15km/h）>30%

最高車速150km/h

續(xù)駛里程≥200km

2.2 牽引電動機(jī)選取

電驅(qū)動系統(tǒng)是純電動汽車的心臟。電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能推動車輛，或反之將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能進(jìn)行再生制動和對車載儲能裝置充電[1]。本文通過電動汽車的動力性能要求確定合適的永磁無刷直流電動機(jī)。

電動汽車在水平路面上的以最高車速行駛所消耗的功率為：

（1）

電動汽車爬坡所消耗的功率為：

（2）

電動汽車從0km/h加速到100km/h所消耗的功率估算為[2]：

（3）

式中：為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，vt為汽車加速終速。代入所給數(shù)據(jù)可求得：pv=42.23kw，pα=20.21kw，pa=62.3kw。

電動機(jī)的額定功率。由求得的數(shù)據(jù)可得pm=65kw可滿足汽車性能。電動機(jī)具體參數(shù)如表2所示。

2.3 動力電池的選取

目前，鋰離子電池是車用電池產(chǎn)業(yè)化的熱點，性能好、環(huán)保，在電動汽車行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛[1]。本文在選用電池的過程中采用等速法進(jìn)行續(xù)駛里程計算，選用合適容量的動力電池[3]。

假設(shè)汽車以等速V=60km/h行駛，此時消耗的功率為：

（6）

（7）

= ? ? ? ? ? ? ? （8）

電池的實際總能量為：

（9）

其中：S為續(xù)駛里程，為電池組有效電容量系數(shù)，該系數(shù)取0.8。Ub為電池組的平均工作電壓;C為電池組的總?cè)萘俊?/p>

把式（7）、式（8）代入到式（9）中可得：

（10）

代入數(shù)據(jù)，可得到滿足續(xù)駛里程200km的最小電池容量C=135.98Ah，最終選取動力電池的容量C=150Ah，采用國內(nèi)主流的磷酸鐵鋰動力電池，容量為150Ah，標(biāo)稱電壓（3.2×100）v。

3.Cruise軟件建模仿真分析

3.1 建立純電動汽車整車模型

打開軟件，進(jìn)入設(shè)計模塊，建立汽車各模塊，完成機(jī)械連接和電氣連接。如圖1所示。

圖1 純電動汽車整車模型

3.2 仿真分析

（1）加速性能分析。在cruise軟件任務(wù)中建立Full Load Acceleration任務(wù)，測試汽車從0km/h到100km/h加速時間，如圖2所示。電動汽車在12.8s加速到100km/h，滿足汽車加速性能要求。

圖2 汽車加速過程

（2）爬坡性能分析。在cruise軟件任務(wù)中建立Climbing Performance任務(wù)，測試汽車的爬坡能力，結(jié)果如圖3所示。最大爬坡度可達(dá)63%，滿足汽車爬坡要求。

（3）汽車最高車速分析。在cruise軟件任務(wù)中建立Constant Drive任務(wù)，測試汽車達(dá)到的最高車速。各檔位最高車速如表3所示。

表3 各檔最高車速

檔位 最高車速（km/h） 轉(zhuǎn)速（r/min）

1 94 7450

2 153 8000

續(xù)駛里程分析。在cruise軟件任務(wù)中建立Cycle Run任務(wù)，在UDC實驗工況下進(jìn)行測試，可得到動力電池SOC的變化曲線，如圖4所示，當(dāng)SOC=15%的點的橫坐標(biāo)作為電動汽車的續(xù)駛里程，則S=260000m>200000m。

圖3 汽車爬坡度

圖4 UDC工況下電池SOC變化曲線

4.結(jié)論

本文通過給定電動汽車的性能要求，對汽車動力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計。運用cruise軟件對純電動車進(jìn)行建模和動力性能的仿真，得到了0km/h到100km/h加速時間、最高速度、最大爬坡度及續(xù)駛里程等性能指標(biāo)，仿真結(jié)果驗證了汽車動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計的合理性。通過本文的仿真和分析，為純電動汽車的參數(shù)選擇以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]趙航，史廣奎.混合動力電動汽車技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]倪光正，倪培宏，熊素. Ehsani，M.現(xiàn)代電動汽車、混合動力汽車和燃料汽車——基本原理、理論和設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]朱鵬飛，趙文杰，許宏云.基于CRUISE 純電動汽車匹配計算與仿真[J].上海汽車，2012（9）：12-15.