純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與仿真研究

王若飛，高文根，牛明強(qiáng)

（1.奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，安徽 蕪湖2.安徽工程大學(xué)安徽檢測技術(shù)與節(jié)能裝置省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

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新能源汽車

純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與仿真研究

王若飛1，高文根2，牛明強(qiáng)2

（1.奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，安徽 蕪湖2.安徽工程大學(xué)安徽檢測技術(shù)與節(jié)能裝置省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

摘 要：純電動汽車具有零排放、低耗能、高效率等優(yōu)點(diǎn)，是汽車行業(yè)發(fā)展的方向。動力性能與經(jīng)濟(jì)性能是衡量電動汽車性能的主要指標(biāo)。文章針對一款電動汽車，根據(jù)相應(yīng)指標(biāo)要求標(biāo)準(zhǔn)，對其傳動系統(tǒng)主要部件進(jìn)行參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，并運(yùn)用專業(yè)仿真軟件CRUISE進(jìn)行整車仿真，結(jié)果表明參數(shù)設(shè)計(jì)符合要求，對整車開發(fā)具有理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：純電動汽車；參數(shù)匹配 ；CRUISE仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.032

CLC NO.: U469.72Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-94-04

前言

純電動汽車動力系統(tǒng)由動力電池、驅(qū)動電機(jī)、傳動裝置等組成的非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，各部件之間協(xié)調(diào)控制相對復(fù)雜，若僅以實(shí)車實(shí)驗(yàn)作為開發(fā)手段，不僅造成消耗浪費(fèi)大量人力物力，并且會大大延長整車開發(fā)周期[1-2]。所以，針對一款新型汽車實(shí)車實(shí)驗(yàn)前，需對整車進(jìn)行專業(yè)建模仿真。根據(jù)仿真結(jié)果再不斷反向優(yōu)化修正各關(guān)鍵部件參數(shù)，直至仿真結(jié)果符合事先設(shè)定的整車設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過專業(yè)汽車仿真軟件AVL Cruise對整車動力系統(tǒng)建模與控制策略建模可以大大縮短整車開發(fā)周期，降低整車開發(fā)成本[3-4]。

1、關(guān)鍵參數(shù)匹配與設(shè)計(jì)

1.1 車輛參數(shù)與性能指標(biāo)

本文研究對象選擇為某款純電動汽車，其關(guān)鍵參數(shù)與性能指標(biāo)分別如表1、表2所示。下文將針對此款車型進(jìn)行動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件驅(qū)動電機(jī)、動力電池及傳動比等進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)匹配，滿足設(shè)定的動力性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

表1　整車關(guān)鍵參數(shù)

表2　車輛性能指標(biāo)

1.2 驅(qū)動電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是整車的動力來源，其系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一是滿足車輛性能指標(biāo)的動力性要求[5-6]?？蓪恿︸詈涎b置看作一個(gè)整體，要求其輸出功率、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩滿足整車動力性需求則已。

（1）當(dāng)車速最快時(shí)，計(jì)算車輛最大需求功率可以忽略坡度阻力，主要考慮風(fēng)阻力和滾動阻力影響，其表達(dá)式為：

式（1）中，umax為最高車速，η為傳動系效率，f為滾動阻力系數(shù)，CD為空氣阻力系數(shù)，A為迎風(fēng)面積。本文取η=0.9。

（2）當(dāng)車輛為某一恒定速度爬坡時(shí)，最大需求功率表達(dá)式為：

式（2）中，uα為車速，φmax為行駛坡度角度，αmax=arctanφmax。

（3）在車輛加速過程中，主要考慮風(fēng)阻力、滾動阻力以及加速阻力，坡路阻力較小，可以忽略，加速階段最大需求功率表達(dá)為：

式（3）中，由于車輛加速過程中，所需功率呈現(xiàn)漸增趨勢，加速末期所需功率達(dá)最大，故um為加速末期車速，tm為加速時(shí)長，δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

驅(qū)動電機(jī)最大功率設(shè)計(jì)必須滿足車輛在不同工況下的電驅(qū)動需求，即需要大于車輛在最高車速、爬坡、加速等行駛工況下的最大功率需求，由此可得電動汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)最大功率約束條件為：

表3　驅(qū)動電機(jī)參數(shù)

將本文所研究車型相關(guān)參數(shù)帶入式（1）至式（4）中，計(jì)算電機(jī)驅(qū)動功率為Pmax=45kW。根據(jù)我國道路最高限速情況，取車速120km/h對應(yīng)的恒速驅(qū)動功率作為系統(tǒng)額定功率輸出下限值[7]，理論計(jì)算值為PN=25kW。綜合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件進(jìn)行選擇，本文中驅(qū)動電機(jī)具體參數(shù)選擇如表3所示。

1.3 動力電池組參數(shù)設(shè)計(jì)

動力電池組作為純電動汽車唯一動力源，其參數(shù)對整車性能影響至關(guān)重要。本文設(shè)計(jì)綜合考慮價(jià)格與品質(zhì)，電動汽車的動力電池組選擇市面常見的鋰離子電池組。根據(jù)電池組電壓等級設(shè)計(jì)匹配驅(qū)動電機(jī)工作電壓需求的原則，在滿足車輛正常運(yùn)行需求的基礎(chǔ)上，留有一定裕量，電池組電壓等級設(shè)計(jì)為U0= 320V 。

依據(jù)整車設(shè)計(jì)目標(biāo)，考慮電池組使用壽命，保證電池組放電容量不超出有效范圍，車輛以60km/h勻速行駛的續(xù)駛里程能達(dá)到150km以上。令車輛行駛的勻速為uele，電池組負(fù)載功率為：

式（5）中，Pele為電池組負(fù)載功率，ηT為傳動效率，ηcon為電機(jī)效率，ηbat為電池組放電效率。

車輛以勻速uele滿足續(xù)駛里程S所需能量為：

動力電池組能量約束條件為Wele＞ Wroad。

動力電池組按照放電深度放電，所能放出的額定能量為：

式（7）中ξsoc為電池組有效放電容量，本文設(shè)計(jì)采用鋰電池，其取值范圍在10%~90%。

由式（6）與式（7），可求得滿足續(xù)駛里程條件的動力電池組容量為：

實(shí)際情況中，車載空調(diào)、娛樂等附件耗電量約占總?cè)萘?5%左右[8]。依據(jù)相關(guān)參數(shù)可確定電池組總電壓為U0= 320V，容量C= 65Ah 。綜上，設(shè)計(jì)動力電池組參數(shù)如表4所示。

表4　動力電池組參數(shù)

1.4 傳動比設(shè)計(jì)

電動汽車的傳動比與整車動力性與經(jīng)濟(jì)性存在很大關(guān)聯(lián)，因此傳動比參數(shù)設(shè)計(jì)非常重要[8]。

電動汽車傳動比下限由最高車速及電機(jī)最大轉(zhuǎn)速決定，上限由整車最大爬坡度及電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩決定。

式（9）中，Tmax1為電機(jī)最大輸出扭矩，Tna為爬坡工況下汽車對行星架轉(zhuǎn)矩需求，r為車輪滾動半徑，F(xiàn)tmax為汽車最大輸出動力，ψ為路面附著系數(shù)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果并在不大幅改動原車傳動結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文選擇傳動比為i0= 6.65。

2、模型建立與仿真分析

2.1 整車CRUISE仿真模型建立

CRUISE是一款前向式汽車專業(yè)仿真軟件，可以用于汽車動力系統(tǒng)各構(gòu)件的匹配以及整車動力性能與經(jīng)濟(jì)性能的預(yù)測仿真。整車子模塊主要有整車模塊（Vehicle）、駕駛室模塊（Driver）、單級減速模塊（SRT）、電機(jī)（E-motor）、電池（Battery）、車輪（Wheel）、制動器（Brake）、差速器（Final Drive）、整車控制模塊等[9]。整車模型如圖1所示。建模取值。

圖1　整車仿真模型

上述匹配設(shè)計(jì)的動力系統(tǒng)的各部件的主要性能參數(shù)需要通過各部件對應(yīng)的子模塊參數(shù)設(shè)置具體體現(xiàn)。模型中電機(jī)需要輸入其外部特性及效率分布等信息[10]。如圖2、圖3所示為電機(jī)模型需根據(jù)選型電機(jī)實(shí)際特性采樣建立相應(yīng)的“轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩”外部特性圖及效率圖等。另電池特性曲線及整車質(zhì)量等參數(shù)需要根據(jù)前文設(shè)計(jì)需要輸入模型的各個(gè)子模塊中，由于本文篇幅有限，不再一一詳述。

圖2　電機(jī)外部特性圖

圖3　電機(jī)效率分布圖

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 整車NEDC工況性能分析

圖4　NEDC工況下車速與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩對比圖

圖5　NEDC工況SOC變化曲線

圖4為NEDC工況下車速與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩對比圖，由圖中可知本車能較好的完成指定工況任務(wù)，由于本車設(shè)置有能量回收功能，所以在車速下降時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值存在負(fù)值，即整車在減速或剎車時(shí)，帶動電機(jī)反轉(zhuǎn)發(fā)電，逆向動力電池充電。圖5為本車一個(gè)NEDC工況中電量消耗SOC變化曲線，可以看出SOC曲線在整個(gè)過程中部分節(jié)點(diǎn)小幅上升，但整體上呈平緩下降趨勢，不存在激變現(xiàn)象，由此可得，電機(jī)與電池的匹配較為合理，整車滿足常見工況行駛要求。

2.2.2 整車動力性能分析

仿真取爬坡車速uα=20km/h。圖6為整車滿載下爬坡曲線，根據(jù)曲線可知汽車在20km/h速度下最大爬坡度為23.3%，滿足整車動力性設(shè)計(jì)要求。同時(shí)根據(jù)仿真結(jié)果result文檔可見：汽車最大速度汽車最大速度Vmax=113km/h，仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步證明CRUISE軟件的可靠性。

圖6　整車滿載下爬坡曲線

表5為整車滿載加速時(shí)刻表，可知該車從靜止加速至100km/h需要時(shí)長為16.68s，小于設(shè)計(jì)要求的20s。

表5　整車滿載加速時(shí)刻表

2.2.3 整車經(jīng)濟(jì)性能分析

由圖5可知，一個(gè)NEDC工況完成后，整車電池剩余電量水平下降ΔSOC =7%。經(jīng)過計(jì)算可知，NEDC工況下，整車?yán)m(xù)駛里程為124km，高于整車制定經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)。同時(shí)根據(jù)仿真結(jié)果result文檔可得：該車以60km/h勻速行駛時(shí)最大續(xù)駛歷程為160km。以上兩種工況下的續(xù)駛里程均滿足整車經(jīng)濟(jì)性能設(shè)計(jì)要求。

3、結(jié)束語

本文針對整車的動力性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)要求，對電機(jī)、動力電池等動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行匹配計(jì)算與設(shè)計(jì)。并進(jìn)一步運(yùn)用汽車仿真專業(yè)軟件CRUISE對相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行仿真，結(jié)果分析表明：設(shè)計(jì)參數(shù)滿足整車爬坡、加速、最大續(xù)駛歷程等指標(biāo)，CRUISE仿真具有較強(qiáng)的合理性與真實(shí)性，可為相關(guān)參數(shù)優(yōu)化及控制策略實(shí)現(xiàn)提供理論參考，對降低整車開發(fā)周期具有積極意義。

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中圖分類號：U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)04-94-04

作者簡介：王若飛，就職于奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司。

Parameter Design and Simulation of Powertrain System for Pure Electric Vehicle

Wang Ruofei1, Gao Wengen2, Niu Mingqiang2
（1.Chery New Energy Automotive Technology Co., Ltd; 2. Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Energy Saving Devices, AnHui Polytechnic University）

Abstract:Pure electric car with zero emissions, low energy consumption, high efficiency and other advantages, is the direction of development of the automotive industry. Dynamic performance and economic consideration is the primary indicator to measure the performance of electric vehicles. For an electric car in this paper, according to the corresponding index standard requirements to match and design the transmission parameters of its major components, and using the professional simulation software CRUISE to simulate. The results show that the design meets the requirements of the parameters, has a theoretical guide for vehicle development.

Key words:pure electric vehicle; Parameter matching; simulation based on CRUISE