基于CRUISE的純電動汽車性能仿真

朱鵬飛，趙文杰，許宏云

（合肥工業(yè)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥230009）

目前，能源與環(huán)境已成為全球關(guān)注的問題，汽車行業(yè)在推動經(jīng)濟發(fā)展的同時也帶來了嚴(yán)重的污染。在當(dāng)前技術(shù)條件下發(fā)展電動汽車，無疑是汽車行業(yè)向前發(fā)展的一種選擇。采用專業(yè)軟件CRUISE對電動汽車進行建模及仿真研究，能節(jié)省大量的時間，使模型過程簡單化［1］。本文以南洋集團NY727EVT純電動汽車開發(fā)為例，在動力參數(shù)匹配中首先確定驅(qū)動電機，然后合理匹配傳動系參數(shù)和選擇動力電池容量以實現(xiàn)綜合性能優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)。

1 純電動汽車的參數(shù)匹配計算

1.1 純電動汽車的基本參數(shù)及設(shè)計要求

電動汽車的動力性能主要取決于動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配，包括動力源、驅(qū)動電機、動力電池、變速器等［2］。本文根據(jù)電動汽車的參數(shù)和設(shè)計要求，通過理論計算，完成電動汽車的動力匹配，包括電機、電池、以及變速器等。試制研發(fā)的純電動汽車的整車主要參數(shù)如表1所示。純電動汽車動力性能指標(biāo)如表2所示。

表1 整車主要技術(shù)參數(shù)

表2 純電動汽車設(shè)計要求

1.2 驅(qū)動電機參數(shù)選擇與匹配

驅(qū)動電機是電動汽車的動力源，對電動汽車的動力性和經(jīng)濟性影響最大，驅(qū)動電機的參數(shù)選擇與匹配包括電機的最大功率和額定功率、電機的最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速等。

1）電機峰值功率和額定功率的匹配

電機峰值功率通常依照純電動汽車的最高車速 umax（km·h－1）、加速時間 t（s）和最大爬坡度 αmax（°）來確定。

a.根據(jù)最高車速umax確定的最大功率：

式中：ηt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（m2）；umax為爬坡時的最高車速。

b.根據(jù)最大爬坡度αmax確定的最大功率：

式中：uα為最大爬坡度時的車速；αmax為最大爬坡度。

c.根據(jù)加速時間t來確定最大功率：

式中：ta為汽車加速時間；ut為汽車的加速末速度。電機的最大功率Pmax必須同時滿足的條件：

將表1中的整車參數(shù)代入式（1）～（4）并按照表2設(shè)計要求，計算得

故可選Pmax為65kW。

電動機的額定功率應(yīng)滿足最高車速90%的功率：

可選額定功率為35kW。此時的過載系數(shù)：

2）電機額定轉(zhuǎn)矩及最高轉(zhuǎn)矩的選擇

電機的最大轉(zhuǎn)矩滿足電動汽車的起步加速和最大爬坡度，同時結(jié)合傳動系最大傳動比imax和最大爬坡度αmax來確定。

式中：r為輪胎滾動半徑；imax為傳動系的最大傳動比。

3）電機的選擇

根據(jù)電機實際特點、一般車用電機特點、合理的過載系數(shù)，選擇合理的電動最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速，綜合以上計算結(jié)果和分析，選用尤奈特永磁無刷直流電機，該電機主要性能參數(shù)如表3所示。

表3 電機的基本參數(shù)

4）電機的外特性曲線

所選尤奈特永磁無刷直流電機的外特性曲線圖（MAP圖）如圖1所示，可以清楚的看出電機的效率曲線與電機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。

1.3 傳動比的選定

電動汽車傳動比的選擇對其動力性、經(jīng)濟性有著明顯的影響，一般來說，傳動比越小則其獲得的最高車速越大，傳動比越大則其爬坡能力和加速能力越大，但其能耗變大，所以為了兼顧動力性和經(jīng)濟性，電機具有較理想的外特性曲線，一般設(shè)置1～3個擋位即可。

1）最小傳動比的選取

一般最小傳動比是依據(jù)電動汽車的最高車速和電機最高轉(zhuǎn)速來計算的：

式中：nmax為電機的最高轉(zhuǎn)速；umax為電動汽車設(shè)計的最高車速。

2）最大傳動比的選取

最大傳動比依據(jù)最大爬坡度和最大扭矩決定：

式中：Tmax為電機的最大輸出扭矩。

綜上，經(jīng)過計算得到imin為8.68，imax為13.85，電機具有較理想的外特性曲線，所以電動汽車不需要像傳統(tǒng)車要設(shè)置較多擋位，根據(jù)試制的純電動汽車的要求，本變速器為三擋變速器，主減速器傳動比 i0為 4.512，一擋 ig1為 3.125，二擋 ig2為 2.411，三擋 ig3為 1.861［5－7］。

1.4 電池組參數(shù)設(shè)計

鋰電池有能量密度高、使用壽命長、安全性好、可快速充電等優(yōu)點，通過對比國內(nèi)外各種鋰離子電池的發(fā)展情況、國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策、商品化、性能、安全性、一致性等綜合因素，采用國內(nèi)主流的磷酸鐵鋰動力電池，電池單體使用1865140單體。

電池組電壓等級與電機工作電壓相匹配，此電機的額定電壓為288V，確定電池組電壓等級：

電池的能量計算公式為

式中：Wb為電池組的實際能量；Ub為電池組的平均工作電壓；C為電池組的總?cè)萘?。電動汽車?yán)m(xù)駛里程S（km）所需的能量，可用等速法和工況法來計算。在初步設(shè)計中采用等速法進行續(xù)駛里程初步計算，在后續(xù)設(shè)計中應(yīng)用國標(biāo)中規(guī)定的工況來仿真校核續(xù)駛里程，所以汽車以uele等度行駛，可得阻力功率及整車能量消耗為

式中：Pele為汽車等速行駛所需的功率；Wroad為車輛續(xù)駛里程S所需的能量；S為電動汽車的續(xù)駛里程設(shè)計要求；Pm為電機控制器輸入功率；ηm為電機與電機控制器總成效率，可在測試平臺上測得對應(yīng)轉(zhuǎn)速及負(fù)載的效率。

電池組的能量Wb滿足的條件：

電動汽車行駛消耗的能量為電池組輸出的電能，即

式中：ξsoc為電池組有效電容量系數(shù)，取0.8。

根據(jù)式（12）～（15）可得到滿足續(xù)駛里程的電池組容量為

綜上得到滿足續(xù)駛里程200km的最小電池容量C為149.739Ah，最終選取動力電池的容量C為150 Ah，動力電池的組合方式是15并90串，即15P90S［8］，動力電池的參數(shù)如表 4 所示。

表4 磷酸鐵鋰離子電池組參數(shù)

2 CRUISE V2010中的建模與仿真

CRUISE是奧地利李斯特內(nèi)燃機及測試設(shè)備公司（AVL LIST GmbH）開發(fā)的研究汽車動力性、燃油經(jīng)濟性、排放及制動性能的高級仿真分析軟件［9］。

2.1 整車仿真模型的建立

根據(jù)汽車動力傳遞路線“電機→離合器→變速器→主減速器→差速器→車輪”，建立整車結(jié)構(gòu)模型。模型的建立中有機械連接和電氣連接，難點是電氣連接，它涉及純電動汽車的控制原理和信息傳遞，必須對其有很好的理解，才能連接無誤，研制的純電動汽車模型如圖2所示。

2.2 輸入計算參數(shù)

CRUISE軟件的參數(shù)輸入是圖形化界面，輸入的數(shù)據(jù)包括迎風(fēng)面積、軸距、空氣阻力系數(shù)、整車裝備質(zhì)量、滾動阻力系數(shù)、電機MAP圖、各擋傳動比、主減速比、電池電壓、電池數(shù)目、車輪的半徑、傳動系效率等。

2.3 設(shè)定計算任務(wù)

根據(jù)測試的需要，該純電動汽車采用60km·h－1等速工況和國標(biāo)NEDC循環(huán)工況 （歐洲循環(huán)工況）作為仿真工況，并設(shè)定最大爬坡度分析任務(wù)和穩(wěn)態(tài)行駛性能分析任務(wù)。60 km·h－1等速工況可以在CRUISE軟件的計算任務(wù)模塊Tast Folder下的profile文件下應(yīng)用table editor進行編輯，可以用時間或者路程作為X軸，為了得到在等速工況情況下的續(xù)駛里程，應(yīng)當(dāng)以路程作為X軸，可以將X軸即路程編輯的足夠長，這樣就能清楚的看到SOC的變化情況，從而得到等速工況的續(xù)駛里程。

NEDC（New European Driving Cycle，新歐洲循環(huán)工況）由4個ECE工況與1個EUDC工況疊加而成。如圖3所示，該工況總行駛里程為10.93km，歷時 1225 s，最高車速為 120 km·h－1，平均車速為32.1km·h－1，最大加速度為 1.06m·s－2，最大減速度為－1.39m·s－2，行駛期間共停車 13 次，怠速時間為 339s［10］。

2.4 仿真結(jié)果

1）循環(huán)工況下電機特性分析

根據(jù)圖4知，在循環(huán)工況中，電機的工作效率大部分集中在81%～91.5%高效率范圍內(nèi)，由于此純電動汽車的擋位數(shù)為3，可以設(shè)置最佳經(jīng)濟性換擋規(guī)律，有利于電機工作在高效區(qū)，提高續(xù)駛里程。在循環(huán)工況中的最高車速120km·h－1時，電機的輸出功率為62.7kW，沒有超過電機的最高功率65 kW。

2）加速結(jié)果分析

根據(jù)CRUISE軟件從靜止連續(xù)換擋全負(fù)荷加速仿真任務(wù)計算得到純電動汽車0～50 km·h－1和50～80km·h－1超車加速下的時間。 在 result文件中可得到仿真結(jié)果，具體數(shù)據(jù)如表5～6所示。

3）最大爬坡度結(jié)果分析

表5 0～50km·h－1加速時間

表6 50～80km·h－1加速時間

不同擋位、不同車速下的最大爬坡度如圖5所示，從曲線可看出一擋的爬坡度是最大的，由于電機在基速n0之前是恒轉(zhuǎn)矩輸出，所以爬坡度曲線較平穩(wěn)，基速之后是恒功率輸出，爬坡度曲線如雙曲線下降，得到車速為15km·h－1時的最大爬坡度值為27.30%。

4）最高車速結(jié)果分析

不同擋位的最高車速統(tǒng)計如表7所示。

表7 各擋最高車速

5）續(xù)駛里程結(jié)果分析

在計算任務(wù)當(dāng)中建立勻速循環(huán)工況，將循環(huán)距離設(shè)為250 km，便可得到電池SOC的變化曲線，如圖6所示，當(dāng)SOC為15%的點的橫坐標(biāo)作為電動汽車的續(xù)駛里程，即S為224.7km。

NEDC循環(huán)工況時動力電池SOC的變化曲線如圖7所示，續(xù)駛里程

式中：SOC為電池組有效電容量系數(shù)，此處取0.8，電池的容量允許從95%放電到15%；ΔSOC為一次NEDC循環(huán)工況電池SOC的變化量。

6）結(jié)果對比

設(shè)計要求、理論計算與仿真結(jié)果對比如表8所示。

表8 整車仿真結(jié)果對比

3 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，以磷酸鐵鋰電池為動力源的電動汽車的最高車速達(dá)到了 124km·h－1，以 20km·h－1行駛的最大爬坡度為 27.34%，0～50 km·h－1的加速時間為 7.21 s，50～80 km·h－1的加速時間為 7.12 s，60 km·h－1等速行駛的續(xù)駛里程為 224.75 km，NEDC工況續(xù)駛里程為152.33km，表明最高車速、爬坡能力、加速能力、續(xù)駛里程等性指標(biāo)都滿足設(shè)計要求，跟理論計算的結(jié)果非常接近，驗證了仿真模型的正確性和有效性，為電動汽車的設(shè)計、動力性能預(yù)測和分析提供了一種有效方法和手段，也為后續(xù)的研究工作奠定了基礎(chǔ)。

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