基于Cruise的新能源汽車動力性能的優(yōu)化與匹配

摘要：目的：為了優(yōu)化新能源汽車的動力性能，獲取最佳的速比。方法：以汽車模擬軟件Cruise為基礎(chǔ)通過現(xiàn)有的新能源汽車參數(shù)對驅(qū)動電機、動力傳動系統(tǒng)和驅(qū)動電池進行選型，搭建新能源汽車的模型。結(jié)果：根據(jù)新能源汽車的整車動力性參數(shù)對新能源汽車的動力系統(tǒng)進行優(yōu)化匹配。結(jié)論：最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)選擇為永磁同步電機、兩檔變速器和二次鋰電池。當速比為13.066時，該新能源汽車的最大爬坡度為52.28%，續(xù)航里程為479.375 km，汽車的動力性能能夠達到預(yù)期的目標結(jié)果。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；驅(qū)動電機；傳動系統(tǒng)；驅(qū)動電池；永磁同步電機

中圖分類號：U469.72" " " 文獻標志碼：A" " " 文章編號：1008-4657（2024）04-0010-05

0" " " " 引言

純電動汽車是以動力電池為動力源的新能源汽車，通過電能、化學能、機械能三者的相互轉(zhuǎn)化，經(jīng)過動力傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動，從而推進汽車前進［ 1 ］。新能源汽車因具有環(huán)境污染小、噪音低、能源效率高、使用維修方便、用途廣泛等特點，越來越受民眾的青睞［ 2 ］。但新能源汽車也存在比較突出的缺點，比如續(xù)航里程短、使用成本高和配套充電設(shè)施有待完善等［ 3 ］。尤其是在無法提高電池能量供給的背景下，如何尋求其他途徑提高汽車動力性能和延長續(xù)航里程是科研工作者研究的熱點［ 4 ］。張樂迪等［ 5 ］通過使用碳纖維復合材料對車門進行輕量化處理，達到提高新能源汽車動力和續(xù)航的目的。唐小華等［ 6 ］對電動汽車與燃油車在不同試驗場所、項目下的運動性能差異性比較，提出了電動汽車動力性能試驗方法的優(yōu)化方向。李忠雨等［ 7 ］研究了汽車能耗、性能匹配等關(guān)鍵因素對電機效率MAP的敏感性，提出主驅(qū)電機MAP合理功耗輸出的方案。王善超等［ 8 ］提出基于模糊控制的轉(zhuǎn)矩控制策略，提高電動汽車加速過程的轉(zhuǎn)矩輸出，保障加速過程動力的穩(wěn)定性。然而，在新能源汽車的動力系統(tǒng)的優(yōu)化與匹配性能方面的研究鮮有報道。同時，基于CarSim軟件可以輕松地設(shè)定測試環(huán)境，測試過程也簡單，并可以詳細定義每個車輛系統(tǒng)的參數(shù)和特征需求。

鑒于此，本文對正在研發(fā)的新款純電動汽車的動力系統(tǒng)性能參數(shù)匹配及優(yōu)化進行系統(tǒng)化研究。通過合理選取所研究純電動車驅(qū)動電機參數(shù)，動力系統(tǒng)參數(shù)以及動力電池的參數(shù)。利用Cruise建立純電動汽車模型然后進行整車性能的優(yōu)化與匹配。整車性能優(yōu)化的主要目標是在保證該款電動汽車動力性能的前提下，提高整車的經(jīng)濟性、NEDC續(xù)航里程和加速時間等，為新能源汽車動力提升工藝化研究提供理論支撐。

1" " " " 新能源汽車的動力系統(tǒng)設(shè)計

1.1" " " " 總體設(shè)計方案

本文設(shè)計的新能源汽車采用單電機前置前驅(qū)的驅(qū)動方式，其動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

汽車整車參數(shù)如下［ 9 ］：總質(zhì)量1 799 kg，滿載質(zhì)量2 249 kg，最高車速120 km/h，0～50km/h加速時間7 s，最大爬坡度（30 km/h）15%，市區(qū)工況續(xù)航 ≥ 100 km。

1.2" " 汽車動力總成參數(shù)的選擇

新能源汽動力總成的匹配原則與傳統(tǒng)汽車的匹配原則基本相同，需要考慮的總成參數(shù)主要包括：驅(qū)動電機參數(shù)、動力傳動系統(tǒng)參數(shù)和動力電池的參數(shù)。

1.2.1" " 驅(qū)動電機參數(shù)的確定

驅(qū)動電機作為新能源汽車的動力組件，影響著新能源汽車的動力系統(tǒng)的性能，電機的種類分為直流電動機，交流電動機，永磁同步電動機和開關(guān)磁阻電動機四種［ 10 ］，為了能直觀地比較四種電機的差異，對四種電機進行性能對比，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在四種驅(qū)動中永磁同步電機的過載性能相較于交流與開關(guān)磁阻電機較差，在實際使用時電機過載的造成的電機過熱會造成電機的工作效率降低，在設(shè)計使用時可盡量避免過載或者減少過載時間。但永磁同步電機與其他三種比較，有尺寸小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，便于進行整車的布置；又因為結(jié)構(gòu)簡單，便于維修和調(diào)速范圍較寬的優(yōu)點，所以本文中驅(qū)動電機的類型選用永磁同步電機。

1.2.2" " 動力傳動系統(tǒng)參數(shù)的確定

新能源汽車是達不到駕駛汽車的基本標準的，因為提高本身性能的同時也需要考慮到制造成本和電機的性能。解決該問題的辦法就是在驅(qū)動電機和車輪之間設(shè)置減速器和變速器，從而提升車輛整體的性能，并且可以始終控制電機在高效率區(qū)域運行，減少動力電池的負荷并增加巡航范圍。汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)的好壞主要由主減速器和變速器的傳動比所決定，所以對于傳動比的設(shè)計要求應(yīng)滿足以下要求：保證汽車動力性能的要求；保證汽車能達到普通汽車的行駛車速；保證電機能夠提供較大的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

最大傳動比的選擇：新能源汽車在爬坡或者在加速時為了有較大的轉(zhuǎn)矩一般都以一檔運行，已知傳動系統(tǒng)傳動比imax與主減速器i0和變速器i1的關(guān)系如下：

imax = i0 i1（1）

由汽車行駛方程和驅(qū)動車輪附著力因素分析得最大傳動比應(yīng)滿足條件［ 11 ］：

imax ≤ （2）

式中：Tmax為電機的最大扭矩；φ為路面附著系數(shù)，取值為0.6；L為汽車軸距；b為汽車重心到后軸的距離。將表1參數(shù)代入公式得：

7.2 ≤ imax ≤ 15.7（3）

最小傳動比的選擇：新能源汽車在動力匹配相同的情況下，最小傳動越大，汽車最高車速也越大。但最小傳動比不能太小否則就要增加擋位數(shù)使變速器的體積增大，重量增加，增加了新能源車的質(zhì)量不符合設(shè)計初衷，所以最小傳動比的選擇只要滿足新能源汽車所期望的最大車速即可，關(guān)系如下：

imin ≤ 0.376（4）

代入表1參數(shù)得

imin ≤ 5.17（5）

擋位數(shù)的確定：汽車換擋時應(yīng)保證汽車的行駛的平順性并且動力傳輸不能中斷，所以關(guān)系式如下；

u（n-1）max = ≥unb = （6）

式中：unmax為第n擋的最高車速；in為第n擋傳動比；nmax為電機最高轉(zhuǎn)速；nb為電機基本轉(zhuǎn)速。通過計算得出：

n ≥1 + log = 1.631（7）

由上述得出應(yīng)選用大于一擋的擋位數(shù)，為了便于計算選擇兩擋變速器。

1.2.3" " 動力電池的參數(shù)

目前，新能源汽車的電池種類繁多，性能各異。新能源汽車電池有兩大類分別為蓄電池和燃料電池。其中適用于新能源汽的包括鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鈉硫電池、二次鋰電池、空氣電池。由于本文所選的車輛是實際存在并已在測試階段，所以電池參數(shù)已經(jīng)給定，并且該車應(yīng)用的是二次鋰電池［ 12 ］，參數(shù)如表2所示。

2" " 結(jié)果分析

2.1" " 新能源汽車整車系統(tǒng)模型的建立

在驅(qū)動電機和動力電池確定后，選擇不同的傳動比將具有不同的經(jīng)濟性和動力性，如果傳動比設(shè)置得太大，則車輛不能到達較高的車速；傳動比設(shè)置得太小，車輛爬坡性能、加速時間、最高車速都會大打折扣。因此，對新能源汽車傳動比的優(yōu)化是一個較為復雜的問題。通過AVL Cruise進行系統(tǒng)模型的建立，在模型窗口建立的模型的一般步驟分為：首先應(yīng)該進行機械連接以及電器的連接，確保無誤后再進行信號連接，再把相應(yīng)的數(shù)據(jù)填入模塊。根據(jù)某客戶的要求和上面所寫的各部件總成的參數(shù)，基于Cruise平臺，選用了整車模塊、駕駛室模塊、單級減速模塊、驅(qū)動電機、動力電池、車輪、制動器等模塊，建立了如圖2所示的新能源汽車模型。

2.2" " 新能源汽車電機參數(shù)優(yōu)化

在進行計算前，電機的參數(shù)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速外特性曲線和電機的效率特性曲線圖如圖3所示?？紤]到新能源汽車在城市道路上的駕駛率較高，因此在模擬計算時，選用了自動檔位的歐洲城市工況CYV_NEDC，該工況的車速集中在40～60 km/h，最高車速為120 km/h，符合本文設(shè)計的新能源車的性能指標。其中，該電機額定電壓為357.2 V，最高轉(zhuǎn)速為16000/min，轉(zhuǎn)動慣量為0.06kg·m，電機的最大電流為800 A。電機模型參數(shù)相關(guān)關(guān)系如圖3所示。

由圖3（a）可知，當轉(zhuǎn)速從0 r/min至4000 r/min時轉(zhuǎn)矩不發(fā)生變化。當轉(zhuǎn)速大于4000 r/min時，電機轉(zhuǎn)速增加的同時電機轉(zhuǎn)矩逐漸減小。由圖3（b）可知，當電機轉(zhuǎn)矩恒定時，隨著轉(zhuǎn)速增長，電機效率也增長；在轉(zhuǎn)速增長，轉(zhuǎn)矩減小的情況下，電機效率呈拋物線下降。

2.3" " 動力傳動系統(tǒng)的速比優(yōu)化與匹配

由于傳動比對電動汽車的動力性能和經(jīng)濟性能有較大的影響，本文選擇了改變傳動比來實現(xiàn)新能源汽車動力性能的優(yōu)化與匹配。在不改變其他參數(shù)的情況下，對原速比11.066進行了優(yōu)化，結(jié)合上文算出的最大傳動比（7.2 ≤ imax ≤ 15.7）和最小傳動比（imin ≤ 5.17）的范圍，選取了大于和小于原速比的兩個速比進行了仿真模擬，結(jié)果見表3。

從表3可知，在速比為13.066時新能源汽車加速時間較原速比用時較短，30 km/h的最大爬坡度也改善較大，為52.28%；NEDC續(xù)航里程也相對較高，為479.375 km。仿真結(jié)果顯示，在滿足基本要求的前提下，速比為13.066時，該車型能獲得更好的汽車動力性能，完成了優(yōu)化并匹配了相應(yīng)速比。

3" " 結(jié)語

隨著現(xiàn)在汽車工業(yè)的高速發(fā)展，地球的能源匱乏的問題和環(huán)境污染的問題逐漸加劇，新能源車的發(fā)展是符合社會進展的必然趨勢。本文研究了基于Cruise的新能源汽車動力性能的優(yōu)化與匹配。通過對新能源關(guān)鍵部位進行了選型和相關(guān)參數(shù)的初步匹配，建立汽車動力模型，應(yīng)用Cruise軟件進行了仿真計算，在其他整車參數(shù)不變的情況下對汽車傳動系的速比進行了優(yōu)化與匹配。結(jié)果表明，該新能源汽車的動力性能能夠達到預(yù)期的目標結(jié)果，為新能源汽車的前期開發(fā)與研究節(jié)約了時間和成本。

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Optimization and Matching of Power Performance of

New Energy Vehicles Based on Cruise

ZHU Aiguo

（School of Electronic Engineering， Chaohu University， Chaohu 238000， China）

Abstract：Objective： To optimize the dynamic performance of new energy vehicles and obtain the best speed ratio. Methods： Based on the vehicle simulation software Cruise， the driving motor， power transmission system and drive battery were selected through the existing parameters of new energy vehicles， and the model of new energy vehicles was built. Results： The power system of new energy vehicles was optimized and matched according to the vehicle power parameters of new energy vehicles. Conclusion： The optimal system parameters are permanent magnet synchronous motor， two speed transmission and secondary lithium battery. When the speed ratio is 13.066， the maximum climbing slope of the new energy vehicle is 52.28% and the driving range is 479.375 km. The dynamic performance of the vehicle can achieve the expected target results， saving time and cost for the early development and research of new energy vehicles.

Key words：new energy vehicle；drive motor；yransmission system；driving battery；permanent magnet synchronous motor