電動汽車的整車動力匹配仿真

熊　禹，周　輝，張志強，廖　黎，馮倍茂，丁　磊（東風(fēng)柳州汽車有限公司PV技術(shù)中心，廣西 柳州　545000）

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電動汽車的整車動力匹配仿真

熊禹，周輝，張志強，廖黎，馮倍茂，丁磊
（東風(fēng)柳州汽車有限公司PV技術(shù)中心，廣西 柳州545000）

摘要：動力性指標和續(xù)航里程達標是電動汽車最基本的性能要求。本文通過AVL的CRUISE軟件，對電動汽車的動力性能和續(xù)航里程進行模擬仿真，在整車設(shè)計階段提前驗證車輛基本性能是否達標，對車輛的開發(fā)有效性進行提前判斷，縮短整車開發(fā)的日程。相關(guān)的仿真計算結(jié)果，通過試驗驗證對比進行校正，修正仿真結(jié)果的偏差，相關(guān)偏差可以作為經(jīng)驗值，有效應(yīng)用到后續(xù)車型開發(fā)。

關(guān)鍵詞：電動汽車；CRUISE；動力性；經(jīng)濟性；續(xù)航里程

為解決地球變暖等環(huán)境的問題，世界各國各大汽車廠商都在對超低油耗及零排放的實現(xiàn)技術(shù)路線進行研發(fā)。在各種技術(shù)路線中，HEV和EV將會優(yōu)于其他技術(shù)開始進行普及［1］。

與傳統(tǒng)汽車一樣，整車動力性、經(jīng)濟性達標是電動汽車開發(fā)目標達成的一個基本要求。電動汽車的動力性及經(jīng)濟性最主要有以下幾個指標：加速性、最高車速、爬坡度以及續(xù)航里程。為了確保車輛品質(zhì)目標順利達成，車輛開發(fā)的一般流程要經(jīng)歷如下階段：根據(jù)法規(guī)、客戶要求等開發(fā)需求，輸入、設(shè)定車輛整車性能目標，進行整車及關(guān)鍵系統(tǒng)的指標設(shè)計，通過CAE技術(shù)仿真驗證整車及關(guān)鍵系統(tǒng)的目標達成可行性，然后進行詳細數(shù)據(jù)設(shè)計及凍結(jié)、系統(tǒng)及部件單體驗證、系統(tǒng)集成驗證，最后實車試制制造，進行實車整車試驗及測試驗證。

整車動力性經(jīng)濟性的匹配計算及仿真，是整車開發(fā)CAE應(yīng)用中的重要一環(huán)，有利于減少開發(fā)周期反復(fù)和成本浪費。

1　工具及基本方法介紹

AVL公司的CRUISE，是整車性能仿真領(lǐng)域中最常用的一個工具。其功能模塊豐富，可用于傳統(tǒng)汽車的燃油經(jīng)濟性排放分析，也可用于各種類型新能源汽車的動力經(jīng)濟性分析，對純電動汽車的動力性及續(xù)航里程的仿真非常便利。CRUISE具有豐富的模型修正經(jīng)驗，并具有豐富的接口，可與MATLAB、SIMULINK等進行接口，便于用戶進行模型算法二次開發(fā)。同時CRUISE提供了圖形化的交互環(huán)境，只需使用圖形拖拽的方式進行模型建立和系統(tǒng)配置，應(yīng)用相當(dāng)便利［2］。

2　整車動力系統(tǒng)匹配計算

2.1整車關(guān)鍵參數(shù)及性能目標要求

整車關(guān)鍵參數(shù)及性能要求：迎風(fēng)面積2.2m2，風(fēng)阻系數(shù)0.3，整備質(zhì)量1400 kg，滿載質(zhì)量1775 kg，輪胎規(guī)格195／60R16，滾動阻力系數(shù)0.008，0—100km／h加速時間＜11 s，最高車速≥150 km／h，爬坡度＞30％，NEDC循環(huán)下續(xù)航里程＞250km。

2.2動力性估算

為滿足車輛的動力性需求 （加速時間、最高車速、爬坡度），需結(jié)合理論計算進行功率估算［3］。

汽車的行駛阻力平衡方程為

式中：Ft——驅(qū)動力；Ff——滾動阻力；Fw——風(fēng)阻；Fi——坡道阻力；Fj——加速阻力。

驅(qū)動力：Ft=PtηT／va

式中：Pt——電機輸出功率；ηT——傳動系統(tǒng)效率，單級減速器，一般在0.95～0.97之間；va——汽車行駛速度，km／h。

滾動阻力：Ff=mgfcosα

式中：m——汽車計算載荷工況下的質(zhì)量，kg；g——重力加速度，m／s2；α——道路坡角，rad；va——汽車行駛速度，km／h；f——滾動阻力系數(shù)，對于H級輪胎，推薦范圍如下：f0——0.0081～0.0098以上 ，取 0.0095；f1——0.00012～0.0025，取 0.0020；f4——0.0002～0.0004以上，取0.0003；c——對于良好瀝青路面，c=1.2。

式中：CD——風(fēng)阻系數(shù)；A——迎風(fēng)面積，m2；va——汽車行駛速度，km／h。

坡道阻力：Fi=mgsinα

式中：m——汽車計算載荷工況下的質(zhì)量，kg；g——重力加速度，m／s2；α——道路坡角，rad。

在汽車行駛方程式的基礎(chǔ)上，經(jīng)過單位換算整理可以得到汽車的功率平衡方程式

2.2.1平坦道路0—100km／h的加速時間小于等于11s所需的功率Pj［4］

2.2.2為滿足最高車速150km／h的功率Pv

經(jīng)過計算得到：P2=30.9kW

綜合Pj、Pv和Pα，為滿足這3種動力需求，電機最大功率需要大于70 kW。根據(jù)經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上放大1.1的保險系數(shù)，電機峰值功率需滿足大于77kW。

2.3關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)選型

結(jié)合動力性需求和現(xiàn)有產(chǎn)品，選擇最為合適的電機，電機相應(yīng)參數(shù)為：峰值功率80kW，峰值扭矩260 Nm，最高轉(zhuǎn)速11000 r／min，主減速器速比8.2。電池包峰值功率大于電機峰值功率，結(jié)合現(xiàn)有產(chǎn)品選型，電池包峰值功率100kW。

3　仿真模擬

3.1整車模型建立

在AVL CRUISE中，將相關(guān)模塊拖入模型窗口，建立機模、電氣、信號及相關(guān)模型算法的連接，并對各模輸入關(guān)鍵參數(shù)。整車關(guān)鍵參數(shù)見章節(jié)2.1，電池包關(guān)鍵參數(shù)：電能36 kW·h，SOC范圍 （DOD）5％～ 95％，額定電壓374 V，電壓范圍351～426 V，峰值放電功率110 kW （SOC10，10 s），峰值充電功率69 kW （SOC90，10s）。電機及傳動系統(tǒng)參數(shù)：電機類型為永磁同步，最大功率80 kW，最大扭矩260 Nm，最高轉(zhuǎn)速11000r／min，速比8.2，電機最大效率96％，傳動效率95％。所選電機的效率map圖如圖1所示。

圖1　電機效率map

根據(jù)實車配重，測試擬合滑行曲線：y=101.65+ 1.2468x+0.0287x2。

3.2整車能量控制

車輛加入再生制動能量回收策略，主要關(guān)注NEDC工況下車輛的續(xù)航里程目標。在NEDC車輛減速工況時，通過盡可能多地使用發(fā)電機的電制動替代制動踏板的機械制動，使電制動轉(zhuǎn)化為電能給電池包充電，以延長整車在NEDC工況下的續(xù)航里程。整個NEDC工況，總共由4個相同的市區(qū)工況 （圖2a）及1個郊區(qū)工況 （圖2b）組成。

圖2　汽車運行工況圖

對所有減速工況的能量進行簡略計算，不考慮損失，一個NEDC可用于轉(zhuǎn)化儲存的能量為0.43 kW·h。考慮傳動效率、電機效率，按85％綜合計算，一個NEDC可儲存能量為0.37kW·h。

3.3仿真計算結(jié)果

1）動力性0—100km／h加速時間如圖3所示，為9s，滿足設(shè)計要求 （＜11s）。

能夠達到的最高車速為169km／h，滿足設(shè)計要求（＞150km／h），如圖4所示。

圖3　百公里加速時間

圖4　最高車速

不同車速下的最大爬坡度如圖5所示，在30km／h車速下，最大爬坡度為44.5％，滿足設(shè)計要求 （＞30％）。

圖5　爬坡度

2）續(xù)航里程基于如圖6所示的工況的續(xù)航里程仿真。每個NEDC行駛里程為15.3km，一個NEDC工況消耗SOC5.2％。整個SOC窗口范圍續(xù)航里程為260km。

圖6NEDC仿真

4　實車測試符合性驗證

實車樣車裝車后，進行了動力性及續(xù)航里程測試驗證。

4.1動力性試驗數(shù)據(jù)

1）0—100 km／h加速時間測試百公里加速時間為10.5s，如圖7所示。

圖7　實測加速時間

2）車輛最高車速測試車輛測試最高車速為156.1km／h，如圖8所示。

圖8　實測最高車速

3）最大爬坡度測試30km／h時最大爬坡度為35％。

4.2續(xù)航里程測試

常溫25℃下，車輛半載情況下，在轉(zhuǎn)轂試驗臺加載NEDC工況下，測試行駛里程為251km。

5　結(jié)論

通過實車測試驗證，AVL CRUISE動力性經(jīng)濟性仿真結(jié)果的趨勢符合，具有可參考性。但CRUISE仿真的精確性基于動力系統(tǒng)關(guān)鍵零部件試驗數(shù)據(jù)的準確性。在開發(fā)前期，對電池、電機等關(guān)鍵部件的試驗數(shù)據(jù)缺乏時，只能基于普適性的參數(shù)進行模擬，難以保證仿真的準確性。只有當(dāng)關(guān)鍵性的零部件試驗數(shù)據(jù)比較準確時，應(yīng)用CRUISE仿真模擬計算的結(jié)果精確程度才比較高。

參考文獻：

［1］日本自動車技術(shù)會.汽車工程手冊 （10，新能源車輛設(shè)計篇）［M］.中國汽車工程學(xué)會組譯.北京：北京理工大學(xué)出版社，2014.

［2］隗寒冰，李軍.基于AVL_Cruise仿真平臺的汽車理論實驗教學(xué)改革研究［J］.科技信息，2010（29）：584-585.

［3］余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［4］孫永正，李獻菁，鄧俊，等.插電式串聯(lián)混合動力轎車的選型匹配與仿真，汽車工程，2010，32（12）：1015-1020.

（編輯楊景）

中圖分類號：U469.72

文獻標識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）05－0009－04

收稿日期：2016-04-05；修回日期：2016-04-14

作者簡介：熊禹 （1983-），女，土家族，湖北建始人，工程師，碩士，主要研究方向為汽車電子電器及新能源系統(tǒng)設(shè)計、汽車通信及電磁兼容；周輝 （1984-），男，漢族，湖南南縣人，工程師，碩士，主要研究方向為汽車動力系統(tǒng)匹配設(shè)計及汽車標定。

Electric Vehicle Power Performance Matching Simulation

XIONG Yu，ZHOU Hui，ZHANG Zhi-qiang，LIAO Li，F(xiàn)ENG Bei-mao，DING Lei
（Passenger Vehicle Technical Centre，Dongfeng Liuzhou Motor Co.，Ltd.，Liuzhou 545000，China）

Abstract：Reaching the dynamic performances and mileage range targets is fundamental for the electric vehicle development.CRUISE of AVL could be used to simulate the power performance and mileage range in the very prophase of the vehicle development.By doing this，rationality of vehicle development could be checked beforehand，as a result，development lead time is reduced.This paper adjusts simulation results through comparing it with testing results，and the differences between them could also be used in the later project development as valuable experiences.

Key words：electric vehicle；CRUISE；power performance；economic efficiency；mileage range