某純電動(dòng)轎車動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)及CRUISE仿真研究

崔淑華，遲云超

0 引言

純電動(dòng)汽車的車載動(dòng)力源為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性是主要的性能指標(biāo)之。汽車的動(dòng)力性主要是由汽車的最高車速、加速時(shí)間以及最大爬坡度［1］。合理的對其動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的參數(shù)進(jìn)行匹配不僅可以滿足純電動(dòng)汽車整車的動(dòng)力性要求，還可以提高純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，提高汽車的經(jīng)濟(jì)性能。

對純電動(dòng)汽車的動(dòng)力單元即驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池等關(guān)鍵部件的選型與參數(shù)計(jì)算,純電動(dòng)汽車電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及傳動(dòng)系各組成部分之間匹配程度，是影響汽車動(dòng)力性的重要因素，也是提高汽車綜合性能并推動(dòng)汽車節(jié)能的重要舉措之一［2］。

AVL CRUISE 軟件可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析和快速搭建各種復(fù)雜的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型，并可同時(shí)進(jìn)行正向或逆向仿真分析［3-4］。通過建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型并對其實(shí)際工作狀況進(jìn)行仿真分析，能夠很好地預(yù)測各種條件下的系統(tǒng)性能，從而不但可以事先靈活地調(diào)整設(shè)計(jì)方案，合理優(yōu)化參數(shù)，而且可以降低研究費(fèi)用，縮短開發(fā)周期［5-6］。

本文應(yīng)用CRUISE建立整車模型，對研究對象的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析，從而驗(yàn)證動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的可行性和合理性。

1 動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

選取某一款對動(dòng)力性有較高要求的純電動(dòng)汽車進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。本文所研究的純電動(dòng)汽車整車主要技術(shù)參數(shù)值見表1。

參考國家純電動(dòng)車的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［GB/T 19596-2004］，再結(jié)合市場生產(chǎn)要求，提出了本文對純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，見表2。

表2 性能要求Tab.2 Performance requirements

1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)匹配

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率應(yīng)能滿足電動(dòng)汽車對最高車速、最大爬坡度以及加速時(shí)間的要求［7］。

（1）由最高車速umax確定最大功率Pmax1。

最高車速是指在良好的路面（混凝土和瀝青）上汽車能達(dá)到的最高行駛速度?？紤]最高車速的情況下，車輛在平坦路面上受到的阻力主要是空氣阻力和滾動(dòng)阻力，因此該工況下可得汽車的功率平衡方程式為：

（2）根據(jù)加速性能確定最大功率。

依據(jù)動(dòng)力學(xué)方程，其加速過程總功率為

加速末時(shí)刻汽車的輸出功率達(dá)到最大。因此，加速過程最大功率為

式中：mu為末速度；mt為加速時(shí)間。

加速末時(shí)刻的最大功率與其平均功率接近，因此，對上式進(jìn)行積分求，可表示為

（3）根據(jù)最大爬坡度計(jì)算最大功率max3P 。

在車輛爬陡坡時(shí)由于車速較低，不考慮車輛的空氣阻力和加速阻力，爬坡時(shí)的功率公式為：

式中： ui為爬坡過程的均速度，取30 km/h。

將整車參數(shù)代入上述各公式得出 pmax1=52.02 k w,pmax2=138.62 k w, pmax3= 5 3.44kw綜合考慮以上動(dòng)力性指標(biāo)要求，該純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)功率需求應(yīng)滿足：

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率可根據(jù)峰值功率求得，可根據(jù)公式（3）求出：

電機(jī)的過載系數(shù)一般按λ=1.5～2［8］計(jì)算，本文中λ取2。代入公式（3）則相應(yīng)的電機(jī)的額定功率

根據(jù)計(jì)算結(jié)果和電機(jī)廠商的生產(chǎn)能力，最后確定選擇美國Clean Wave電機(jī),額定功率90 kw，峰值功率為150 kw。

純電動(dòng)轎車為滿足160 km/h的最高車速要求，結(jié)合實(shí)際電機(jī)產(chǎn)品類型，選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為n峰=15 000 r/min。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與它的額定轉(zhuǎn)速的比值也稱電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β，一般取2～3［9］，驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

這里的β取2，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速應(yīng)在3 750 ～10 000 r/min［8］。結(jié)合目前實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)品型號，額定轉(zhuǎn)速確定為7 500 r/min。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩可由電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速與額定功率求得，計(jì)算公式為：

式中：T 為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，Nm

將參數(shù)帶入公式（5）計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩T額=115 Nm，電機(jī)具有短暫的過載能力，根據(jù)前面提供的過載系數(shù)λ最后確定電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩T峰=215 Nm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)品實(shí)際，確定本設(shè)計(jì)所需驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能參數(shù)見表3。

表3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)Tab.3 Drives the motor parameters

1.2 動(dòng)力電池參數(shù)匹配

動(dòng)力電池組電壓級別與電機(jī)工作電壓相匹配，確定為380 V。其次，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，以60 km/h勻速行駛230 km為達(dá)到續(xù)航里程的要求對動(dòng)力電池參數(shù)進(jìn)行匹配［9］。

勻速行駛時(shí)純電動(dòng)汽車需求的功率為

式中：u=60 km/h，帶入P=5.51 kw。

純電動(dòng)車的需求能量：

計(jì)算得到avgW =23.88 kwh。

式中：addW 為電動(dòng)附件所耗的電量（總量的20%），將參數(shù)代入上述公式得W=29.85 kwh。

式中：essW為電池組實(shí)際釋放能量；socξ為電池組有效放電容量系數(shù)，一般取0.8，計(jì)算得essW=37.31 kwh。

根據(jù)電池總能量可以求出電池容量，計(jì)算公式：

式中：U 為電池組工作電壓；C為電池組的容量。計(jì)算電池容量C=98.18 Ah。

選擇的動(dòng)力電池為三元鋰離子電池，根據(jù)廠家現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格參數(shù)，確定仿真車型的動(dòng)力電池參數(shù)見表4。

表4 動(dòng)力電池參數(shù)Tab.4 Dynamic battery parameters

1.3 傳動(dòng)系速比的匹配

汽車傳動(dòng)系傳動(dòng)比的選擇對汽車的動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性有很大影響。純電動(dòng)車也是如此，必須充分考慮到滿足這兩個(gè)基本性能的要求。傳動(dòng)比主要是變速器和主減速器速比匹配的確定。最大傳動(dòng)比主要取決于最大爬坡度，最小傳動(dòng)比主要取決于最高車速［10-12］。

（1）最小傳動(dòng)比的確定

考慮到驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性及轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)力、車速的關(guān)系，以最高車速和電機(jī)最高轉(zhuǎn)速確定最小傳動(dòng)比。

（2）最大傳動(dòng)比的確定

考慮三方面的問題：最大爬坡度、附著率及汽車最低穩(wěn)定車速。當(dāng)主減速器速比已知時(shí)，變速器最大傳動(dòng)比即為一檔傳動(dòng)比［13］。忽略汽車爬坡時(shí)的空氣阻力，汽車的最大驅(qū)動(dòng)力應(yīng)為：

即

將整車參數(shù)代入公式（10）、（11）計(jì)算得：imax≤ 1 1.62，imin≥ 9 .81。結(jié)合制造商條件和實(shí)際產(chǎn)品的規(guī)格，確定總傳動(dòng)比=11.32。

目前純電動(dòng)汽車產(chǎn)品，尤其是小型的轎車車型上采用了固定速比的一檔減速器與主減速器共同起到對電機(jī)輸出的減速增扭作用［14-15］，所以本文選取一檔變速器為仿真目標(biāo)。

根據(jù)車速與傳動(dòng)比關(guān)系，用最高車速確定主減速器的傳動(dòng)比為i0=1，即ig=11.32為固定速比的減速器。

2 CRUISE 整車模型建立與仿真研究

2.1 整車模型的建立

應(yīng)用CRUISE軟件對汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性以及排放性能進(jìn)行仿真分析，建立的整車模型如圖1所示，關(guān)鍵部件仿真設(shè)置參數(shù)如圖2所示。

圖1 整車模型的搭建Fig.1 Construction of vehicle model

2.2 整車仿真結(jié)果分析

2.2.1 經(jīng)濟(jì)性仿真分析

循環(huán)工況仿真分析。采用了（NEDC）循環(huán)工況和60 km/h等速工況模擬行駛進(jìn)行仿真分析，SOC仿真曲線如圖2所示，循環(huán)工況仿真結(jié)果如圖3所示。目標(biāo)車輛行駛平順性良好，SOC下降曲線穩(wěn)定，并且停車時(shí)SOC沒有明顯的突變，停車時(shí)電機(jī)隨即停止運(yùn)行，不消耗能量，減少動(dòng)力源做無用功，做到真正的節(jié)能減排［16-17］。

圖2 （NEDC）循環(huán)工況電流、電壓、SOC仿真變化曲線Fig.2 Curve of current, voltage and SOC of circulating operating conditions

圖3 （NEDC）循環(huán)工況仿真結(jié)果Fig.3 (NEDC) simulation results of cycle conditions

兩個(gè)循環(huán)工況均以動(dòng)力電池剩余電量SOC為起始條件，考慮到動(dòng)力電池的充放電特性，在CRUISE仿真任務(wù)中設(shè)置電池的SOC從90%為起始。兩個(gè)循環(huán)工況均順利完成，通過整個(gè)循環(huán)工況汽車行駛的總距離來觀察整車?yán)m(xù)航里程，各循環(huán)工況仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 60 km/h等速工況循環(huán)仿真結(jié)果Fig.4 Cycle simulation results of 60 km/h constant speed condition

2.2.2 動(dòng)力性仿真分析

（1）百公里加速時(shí)間仿真分析。由電機(jī)外特性可知，基速之前電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩工作，并且以最大轉(zhuǎn)矩輸出；基速之后電機(jī)恒功率工作，平緩達(dá)到最大有效功率。根據(jù)所選驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，預(yù)設(shè)達(dá)到最大的動(dòng)力性結(jié)果，通過cruise軟件仿真result報(bào)告可知，該車輛在全負(fù)荷加速任務(wù)下，起步加速至100 km/h所用時(shí)間為7.39 s。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 百公里加速Fig.5 100 km acceleration

（2）最高車速仿真分析。CRUISE仿真結(jié)果如圖6所示。得到車輛的最高車速為180 km/h，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖6 最高車速仿真結(jié)果Fig.6 Top speed simulation results

（3）最大爬坡度仿真分析。根據(jù)國家電動(dòng)車試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［GB/T 19596-2004］，爬坡試驗(yàn)整個(gè)仿真過程中曲線變化平緩無明顯波動(dòng)。仿真結(jié)果如圖7所示。

2.2.3 整車仿真結(jié)果與目標(biāo)參數(shù)對比分析

通過AVL CRUISE 軟件建立模型，進(jìn)行仿真行駛并得到仿真結(jié)果，與目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行對比分析，仿真結(jié)果均以超過設(shè)定目標(biāo)參數(shù)值。

圖7 爬坡度仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of gradient

表5 整車仿真結(jié)果與目標(biāo)車型參數(shù)對比表Tab.5 Comparison table of vehicle simulation results and preset target parameters

3 結(jié)論

本文以某純電動(dòng)車的動(dòng)力需求為目標(biāo)，完成了動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的匹配計(jì)算，應(yīng)用 CRUISE 軟件建立整車模型，進(jìn)行了循環(huán)工況、百公里加速時(shí)間、最高車速以及最大爬坡度的仿真分析。通過將仿真結(jié)果與目標(biāo)值對比分析，驗(yàn)證匹配方案的合理性與可靠性。

［1］王志福. 電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)理論與設(shè)計(jì)［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2012.

［2］周勝. 純電動(dòng)汽車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性分析［D］. 長沙：湖南大學(xué),2013.

［3］AVL cruise version 3. 0 user's guide［G］. AVL LIST Gmb H,2005.

［4］劉振軍, 趙海峰, 秦大同. 基于CRUISE的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真分析［J］. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2005,28(11):8-11.

［5］高大威, 金振華, 盧青春. 基于Matlab的燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)仿真［J］. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2005, 17(8):1899-1901.

［6］Autoni Szumanowski原. 混合電動(dòng)車輛基礎(chǔ)［M］. 北京理工大學(xué)出版社, 2001.

［7］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2009:3-16.

［8］熊明潔, 胡國強(qiáng), 閔建平. 純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)選擇與匹配［J］. 汽車工程師, 2011(5):36-38.

［9］王立國.純電動(dòng)客車動(dòng)力總成控制策略研究［D］. 長春：吉林大學(xué), 2009.

［10］姬芬竹, 高峰, 周榮. 電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和續(xù)駛里程研究［J］. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 25(3):426-428.

［11］汪學(xué)明. 純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的仿真研究［D］.長春：吉林大學(xué), 2009.

［12］郭孔輝,姜輝,張建偉. 電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配及優(yōu)化［J］.科學(xué)技術(shù)與工程, 2010,10(16):3892-3896.

［13］劉貴如, 王陸林, 張世兵, 等.電動(dòng)汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［J］.安徽工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2013,28(1)：23-26.

［14］姜海斌. 純電動(dòng)車整車控制策略及控制器的研究［D］. 上海：上海交通大學(xué), 2010.

［15］Ehsani M, Gao Y, Emadi A, et al. Modern electric, hybrid electric,and fuel cell vehicles: fundamentals, theory, and design［M］.CRC Press, 2004.

［16］Miller J M. Propulsion systems for hybrid vehicles［M］. Peter Peregrinus Limited, 2004.

［17］蔣志偉.微型電動(dòng)汽車性能參數(shù)匹配與仿真[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備, 2017, 45(1):41-43.