基于Cruise 的純電動車動力匹配仿真開發(fā)

夏濤

（330001 江西省 南昌市 江鈴集團(tuán)晶馬汽車有限公司技術(shù)中心）

0 引言

發(fā)展新能源汽車已成為社會共識，更成為中國舉國上下推動的可持續(xù)發(fā)展國家戰(zhàn)略之一。在國家利好政策驅(qū)動下，純電動車取得了快速發(fā)展。純電動商用車相對于純電動乘用車而言，從充電站、性能要求到維修、保養(yǎng)都有獨(dú)特的優(yōu)勢[1]。在開發(fā)初期采用專業(yè)仿真軟件對純電動車進(jìn)行建模及仿真研究，能節(jié)省大量的時(shí)間，并使模型過程簡單化[2-3]。

本文以公司純電動商用旅游客車開發(fā)為例，在動力參數(shù)匹配中首先確定驅(qū)動電機(jī)總成，根椐續(xù)駛里程設(shè)計(jì)要求選擇動力電池容量，以實(shí)現(xiàn)綜合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。并利用Cruise 軟件對純電動車進(jìn)行整車建模，對其動力性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行仿真分析研究。

1 純電動客車的參數(shù)匹配

1.1 基本參數(shù)及設(shè)計(jì)要求

電動客車的動力性能主要取決于動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配，本文所涉純電動客車的基本參數(shù)和性能指標(biāo)要求如表1、表2 所示。通過理論計(jì)算，完成純電動客車的動力匹配，主要包括對驅(qū)動電機(jī)、動力電池等總成的選擇等[4]。然后，利用Cruise 軟件對該車進(jìn)行整車建模,并對其動力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析研究。

表1 純電動汽車基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of pure electric vehicle

表2 純電動汽車性能指標(biāo)Tab.2 Performance target of pure electric vehicle

1.2 驅(qū)動電機(jī)的確定

驅(qū)動電機(jī)性能是決定整車動力性與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素之一。選擇電動汽車的驅(qū)動電機(jī)需要匹配的主要參數(shù)有電機(jī)的類型、功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等。電動汽車驅(qū)動電機(jī)功率應(yīng)能滿足電動汽車對最高車速、最大爬坡度以及一定加速時(shí)間滿足一定加速度的要求[5-7]。

（1）確定驅(qū)動電機(jī)最大功率

車輛最高行駛車速100 km/h 需要驅(qū)動電機(jī)提供的功率為

根據(jù)整車最大爬坡性能確定最大功率為

車輛在水平路面上行駛一定速度的加速時(shí)間也是反映車輛動力性的重要指標(biāo)，假設(shè)整車在平坦路面加速，瞬態(tài)過程總功率等于加速過程的末時(shí)刻t 時(shí)電動汽車需求最大功率為Pmax3,并且假設(shè)dv/dt=Vt/T(勻加速時(shí)間為T）。則整車加速功率需求可以簡化為

最后，確定的電動汽車總功率必須滿足下面的條件，即Pmax≥max[Pmax1，Pmax2，Pmax3]：式中：Pmax——驅(qū)動電機(jī)最大需求功率；Vmax——車輛最高車速；ηt——系統(tǒng)傳動效率；t——加速時(shí)間；Vt——加速時(shí)間t 最終車速；σ——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.04～1.08。

將表1、表2 相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）—式（3），計(jì)算得：Pmax1=103.7 kW·h，Pmax2=121.2 kW·h，Pmax3=154.3 kW·h。

（2）根椐最大爬坡度確定電機(jī)扭矩

因?yàn)榧冸妱悠囃耆呻姍C(jī)直接驅(qū)動，電機(jī)必須能夠?yàn)檐囕v提供充足的加速功率和爬坡扭矩，因此，電機(jī)的扭矩參數(shù)要根椐整車的爬坡性能確定。車輛在一定的車速下能夠爬上的坡度大小反映了車輛的爬坡性能，則

式中：Tmax——驅(qū)動電機(jī)最大扭矩需求；imax——車輛最大爬坡度需求；ηt——系統(tǒng)傳動效率；i0——已選定后橋速比。

將表1、表2 相關(guān)參數(shù)代入式（4），得Tmax=1 508.5 N·m

（3）根椐最高車速確定電機(jī)最大轉(zhuǎn)速

電動機(jī)的最高車速可由客車的最高車速確定，根據(jù)驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系以及相應(yīng)的支撐條件，可得：

式中：Nmax——驅(qū)動電機(jī)所需最大轉(zhuǎn)速；Vmax——車輛最高車速；r ——車輪滾動半徑。

將上述參數(shù)代入式（5）得Nmax=3 824 r/min。

（4）驅(qū)動電機(jī)選擇

根椐驅(qū)動電機(jī)的實(shí)際特點(diǎn)，合理過載系數(shù)，選擇驅(qū)動電機(jī)合理轉(zhuǎn)速及最高轉(zhuǎn)速。綜合以上計(jì)算結(jié)果和分析，本車型選用永磁直流電機(jī)，該電機(jī)主要性能參數(shù)如表3 所示。

表3 電機(jī)主要性能參數(shù)Tab.3 Main performance parameters of motor

1.3 動力電池參數(shù)匹配

相比傳統(tǒng)的鉛酸電池，鋰電池具有較高的能量密度，可快速充電，且有循環(huán)使用壽命長、安全系數(shù)高等特點(diǎn)。本車型選用磷酸鐵鋰電池，電壓平臺選用高壓平臺。

純電動汽車?yán)m(xù)航里程S 所需能量可用等速法和工況法來計(jì)算，在初步設(shè)計(jì)中采用等速法來進(jìn)行續(xù)航里程理論核算[8-10]。所以純電動客車以Va等速行駛的阻力功率及整車能量消耗為

式中：Pa——等速Va行駛所需要的功率；S——等速行駛里程為設(shè)計(jì)要求；pm——電機(jī)控制器輸入功率；ηm——電機(jī)及電機(jī)控制器總成效率；Wr——純電動車?yán)m(xù)駛里程S 所需要的能量。

假定動力電力組有效電容系數(shù)為0.9,則動力電池能量Eb滿足的條件：

代入式（6）—式（8）得 Eb≥135.99 kW·h。

因目前市場上純電動客車動力電池都采用標(biāo)準(zhǔn)箱，本車型動力電池組選用4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)箱串聯(lián)而成，動力電池組相關(guān)參數(shù)信息如表4 所示。

表4 動力電池組參數(shù)Tab.4 Parameters of power battery pack

2 基于Crusie 的純電動客車建模與仿真

2.1 基于Crusie 建模

2.1.1 整車模型建立[11]

Crusie 軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法可搭建多種結(jié)構(gòu)形式的汽車傳動系統(tǒng)模型，并可針對性地制定多種性能仿真任務(wù)。本文整車模型選用整車模塊、駕駛室模塊、單級減速模塊、驅(qū)動電機(jī)、動力電池、車輪和制動器等模塊，建立模型如圖1 所示。

圖1 基于Crusie 建立純電動車模型Fig.1 Building a pure electric vehicle model based on Cruise

2.1.2 整車模型參數(shù)設(shè)置

整車模型的機(jī)械連接和信號連接完成后，整車模型中各模塊的參數(shù)需要進(jìn)行設(shè)置，輸入?yún)?shù)包含整車參數(shù)（如迎風(fēng)面積、軸距、空氣阻力系數(shù)、整車整備質(zhì)量、總質(zhì)量、滾動阻力系數(shù)，電機(jī)特性參數(shù)、主減速比、動力電池參數(shù)、車輪半徑、傳動效率等。

2.1.3 設(shè)定計(jì)算任務(wù)

使用Cruise 軟件計(jì)算模塊Constant Drive任務(wù)來計(jì)算整車最高車速，使用Full Load Acceleration 任務(wù)來計(jì)算加速度，使用Cycle Run任務(wù)來計(jì)算續(xù)航里程。其中，60 km/h 等速工況可在Cruise 軟件計(jì)算任務(wù)模塊Tast Folder 下的profile 文件建立60 km/h 等速工況，為減少運(yùn)時(shí)間可將循環(huán)距離設(shè)定為100 km。NEDC 全名叫做New European Driving Cycle，該工況總里程為10.93 km,時(shí)間為1 225 s，由4 個(gè)市區(qū)循環(huán)和1 個(gè)市郊循環(huán)組成[12-13]。其中市區(qū)循環(huán)最大車速50 km/h,平均車速19 km/h,市郊循環(huán)最大車速120 km/h,平均車速62 km/h,如圖2 所示。

圖2 NEDC 工況車速與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve between speed and time under NEDC condition

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 最高車速分析

根據(jù) Cruise 軟件的 result 報(bào)告，該車最大速度為105 km/h，滿足本車最高速度100 km/h 的設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 最大爬坡度分析

本車型匹配對象的最大爬坡度曲線如圖3 所示。由圖3 可知,該車在速度30 km/h 時(shí),最大爬坡度達(dá)22.68%。滿足本車最大爬坡度20%的設(shè)計(jì)要求。

圖3 整車爬坡度仿真曲線Fig.3 Vehicle climbing slope simulation curve

2.2.3 加速工況分析

本車型各速度加速時(shí)間仿真曲線如圖4所示。車輛0～40 km/h 的加速時(shí)間為6.45 s，40～80 km/h 的加速時(shí)間為19.15 s。

圖4 整車加速度仿真曲線Fig.4 Simulation curve of vehicle acceleration

2.3.4 續(xù)駛里程分析

在Crusie 軟件中，60 km/h 等速消耗電能與續(xù)駛里程仿真曲線如圖5 所示。

圖5 60 km/h 等速續(xù)航里程仿真曲線Fig.5 Simulation curve of 60 km/h constant speed range

設(shè)動力電池放電系數(shù)為0.9。則等速60 km/h工況情況下整車?yán)m(xù)航里程為

代入式（9）得S1=235.7 km。

式中：E——?jiǎng)恿﹄姵亟M總?cè)萘浚琸W·h；ΔE1——等速60 km/h 續(xù)駛100 km 消耗電池容量。

在Cruise 軟件中，一個(gè)NEDC 循環(huán)工況動力電池與續(xù)航里程仿真變化曲線如圖6 所示。設(shè)動力電池放電系數(shù)為0.9。則在NEDC 工況情況整車?yán)m(xù)駛里程為

圖6 EUDC 工況續(xù)航里程仿真曲線Fig.6 Simulation curve of driving range under EUDC condition

代入式（10）得S2=152.1 km。

式中：E——?jiǎng)恿﹄姵亟M總?cè)萘?，kW·h；ΔE2——一次NEDC 循環(huán)工況使消耗電池能量，kW·h。

2.3 結(jié)果對比

設(shè)計(jì)要求、理論計(jì)算與仿真結(jié)果對比如表5所示。仿真結(jié)果表明，本車型選定的動力源的最高車速、最高爬坡度、加速性能、續(xù)航里程均能滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

基于Cruise 的整車動力性能仿真計(jì)算結(jié)果表明，該純電動旅游客車動力源的選型符合車輛整車性能要求，并與理論計(jì)算的結(jié)果非常接近，驗(yàn)證了仿真模型的正確性和有效性，為電動汽車的設(shè)計(jì)、動力參數(shù)匹配提供了一種有效的方法參考，仿真結(jié)果對實(shí)車試制階段的工作也有一定參考價(jià)值。