基于Cruise的純電動汽車匹配仿真分析

左澤華 左娟

（1.河北工業(yè)大學(xué)；2.解放軍信息工程大學(xué)）

隨著環(huán)境污染和能源匱乏的加劇，純電動汽車作為一種交通工具，已經(jīng)漸漸進(jìn)入人們的日常生活中。純電動汽車具有噪聲低、排放污染低及能源轉(zhuǎn)換率高等優(yōu)點(diǎn)，加上政府的各種鼓勵政策，純電動汽車受到各大汽車廠商的重視。以往電動汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性的評價(jià)都是由實(shí)車在測試道路或臺架試驗(yàn)得到，但是電機(jī)和動力系統(tǒng)匹配方案和各主要零部件的參數(shù)變化多樣，若每個(gè)方案都進(jìn)行實(shí)車測試，不僅增加成本，而且延長研發(fā)周期。因此，在汽車?yán)碚摵徒Y(jié)構(gòu)計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用AVL-Cruise仿真軟件對電動汽車的主要零部件進(jìn)行建模，對相應(yīng)的路況進(jìn)行模擬仿真，從而驗(yàn)證及分析出最佳方案。

1 純電動汽車的整車模型及性能目標(biāo)

1.1 純電動汽車動力系統(tǒng)的基本模型

由于是在傳統(tǒng)車的基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)，所以主要對純電動汽車的動力性進(jìn)行匹配仿真和驗(yàn)證，而純電動汽車的動力性主要是由動力總成系統(tǒng)來決定。其動力系統(tǒng)主要由電動機(jī)、電池、變速器、主減速器、差速器及車輪等[1]組成，如圖1所示。

圖1 純電動汽車整車動力系統(tǒng)模型圖

1.2 性能指標(biāo)

純電動汽車的性能主要研究動力性和經(jīng)濟(jì)性，動力性主要包括最高車速、最大爬坡度及加速時(shí)間等；經(jīng)濟(jì)性主要研究純電動汽車的續(xù)航里程。文章中將驅(qū)動電機(jī)的性能參數(shù)、傳動系的性能參數(shù)及動力電池的參數(shù)等作為此款純電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)的匹配。為了設(shè)計(jì)出符合性能要求的電動汽車，必須通過整車性能要求對汽車的動力系統(tǒng)進(jìn)行匹配計(jì)算。表1示出純電動汽車基本參數(shù)，表2示出純電動汽車設(shè)計(jì)性能目標(biāo)。

表1 純電動汽車基本參數(shù)

表2 純電動汽車設(shè)計(jì)性能目標(biāo)

2 動力系統(tǒng)正向匹配計(jì)算

2.1 電機(jī)功率（PM）及電機(jī)轉(zhuǎn)速（NM）

根據(jù)瞬時(shí)最高車速和30 min最高車速（試驗(yàn)質(zhì)量1 030 kg）[2]計(jì)算 PM和 NM，如式（1）和式（2）所示。

式中：ηT——傳動效率，%；

f——滾動阻力系數(shù)；

CD——風(fēng)阻系數(shù)；

A——迎風(fēng)面積，m2；

vmax——瞬間最高車速和30 min最高車速，km/h；

G——電動汽車試驗(yàn)重力，N；

PM——電機(jī)功率，kW；

i0——主減速比；

NM——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

r——輪胎滾動半徑，m。

將純電動汽車基本參數(shù)代入式（1）和式（2），得：PM=18 kW，NM=7 110 r/min。

同理，由式（1）和式（2）得出 30 min最高車速對應(yīng)的PM和NM分別為14 kW和6 464 r/min。

2.2 最大爬坡度

根據(jù)滿載爬坡度要求（20%，車速為10 km/h，滿載質(zhì)量為 1 050 kg）計(jì)算 PM及電機(jī)扭矩（TM/N·m），如式（3）和式（4）所示。

式中：i——爬坡度，%；

v——車速，km/h；

i0——爬坡主減速比。

將純電動汽車基本參數(shù)代入式（3）和式（4），得PM=61 kW，TM=91 N·m。

同理，爬坡度為4%（車速為60 km/h，滿載質(zhì)量為1 050 kg）時(shí)，計(jì)算PM和TM分別為11 kW和28 N·m；爬坡度為12%（車速為30 km/h，滿載質(zhì)量為1 050 kg）時(shí)，計(jì)算PM及TM分別為12 kW和58 N·m。

2.3 NEDC工況

由于該車為純電動汽車，續(xù)航里程和動力方面有限，故采用新歐洲行駛工況NEDC（NewEuropean Driving Cycle）。該工況定位為城市工況，基本符合純電動汽車的行駛工況，如圖2所示。根據(jù)NEDC工況及整車參數(shù)，通過軟件進(jìn)行計(jì)算，得出圖3所示的整個(gè)工況下對應(yīng)的電機(jī)需求功率，可見要求的電機(jī)功率需大于33kW。

圖2 純電動汽車NEDC工況圖

圖3 純電動汽車NEDC工況需求電機(jī)功率

3 電機(jī)和電池選型

3.1 電機(jī)選型[3]

3.1.1 確定轉(zhuǎn)速范圍

選擇目前被廣泛應(yīng)用于電動汽車驅(qū)動的永磁同步電機(jī)作為動力源，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速應(yīng)能滿足最高車速的要求，由式（1）和式（2）可知，對于vmax（30 min）=100 km/h（其中瞬時(shí)vmax=110 km/h），相應(yīng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速需大于7 110 r/min，初選峰值轉(zhuǎn)速為8 000 r/min。一般永磁同步電機(jī)擴(kuò)大恒功率系數(shù)（即最大轉(zhuǎn)速與基速之比）在2～3之間，根據(jù)廠商提供數(shù)據(jù)，取2.8計(jì)算，因此電機(jī)基速為2 857 r/min。

3.1.2 確定峰值扭矩

電機(jī)的峰值扭矩應(yīng)至少能滿足爬坡需求，因此需大于91 N·m。

3.1.3 峰值功率和額定功率的確認(rèn)

電機(jī)的峰值功率需至少滿足NEDC工況的需求和爬坡需求，根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，NEDC工況對峰值功率需要大于33 kW。

電機(jī)的額定功率需滿足30 min最高車速要求，對應(yīng)的額定功率應(yīng)大于14 kW，而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，電機(jī)的過載系數(shù)約為1.3～2（峰值功率與額定功率之比，取1.4估計(jì)），則峰值功率應(yīng)大于19.6 kW。

電機(jī)在基速轉(zhuǎn)速時(shí)可達(dá)到峰值功率，按照峰值扭矩為91 N·m，基速轉(zhuǎn)速為2 857 r/min，計(jì)算電機(jī)峰值（P/kW）:

式中：T——峰值扭矩，N·m；

n——基速轉(zhuǎn)速，r/min。

依據(jù)約束條件的計(jì)算結(jié)果，按照取大原則，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步選取的電機(jī)參數(shù)，如表3所示。

表3 初選電動汽車電機(jī)參數(shù)

3.2 電池的選型

根據(jù)廠商提供數(shù)據(jù)，初選電池參數(shù)，如表4所示。

表4 初選電動汽車電池參數(shù)

4 動力系統(tǒng)匹配方案驗(yàn)證分析

這里所用到的是目前應(yīng)用于各大汽車公司的AVL-Cruise仿真軟件，它是計(jì)算和優(yōu)化電動汽車動力性和經(jīng)濟(jì)性的綜合工具，適用于設(shè)計(jì)仿真任何傳動系結(jié)構(gòu)的電動汽車，能夠直觀的模塊化組件，真實(shí)的再現(xiàn)實(shí)車性能，由于其電動汽車模型的搭建過程簡捷易懂，能在短時(shí)間內(nèi)改變電動汽車的結(jié)構(gòu)布置形式，實(shí)現(xiàn)電動汽車性能的最優(yōu)化，從而減少了電動汽車的開發(fā)周期[4]。

4.1 AVL-Cruise模型的建立

根據(jù)整車結(jié)構(gòu)模型，在軟件中建立模型，用戶可以從已有的模型中選擇需要的模型，將電動汽車、電池、變速箱、差速器及駕駛艙等模塊拖入軟件的工作區(qū)中，再根據(jù)零部件之間的關(guān)系，對模塊進(jìn)行機(jī)械或電氣連接，如圖4所示，然后根據(jù)各個(gè)模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最后運(yùn)行仿真任務(wù)。

4.2 AVL-Cruise運(yùn)行流程

1）根據(jù)整車的構(gòu)成，添加所需的模塊，如電機(jī)、變速器、減速器、制動器及車輪等零部件模塊；2）根據(jù)各個(gè)零部件相應(yīng)的參數(shù)對模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；3）利用整車各零部件的動力及信號的傳遞關(guān)系對部件進(jìn)行物理和電氣連接；4）根據(jù)研究需要，設(shè)置相應(yīng)的計(jì)算任務(wù)，如最高車速、最大爬坡度、加速時(shí)間及續(xù)航里程等[5]。

4.3 AVL-Cruise的仿真分析驗(yàn)證

4.3.1 最高車速驗(yàn)證

最高車速驗(yàn)證主要觀察隨著車速的不斷提高，電動汽車是否還有剩余牽引力，從而能始終帶動電動汽車前行。如圖5所示，車速在0～112 km/h，始終都有剩余牽引力，說明整車最高車速為112 km/h。4.3.2 爬坡性能驗(yàn)證

圖5 電動汽車最高車速仿真驗(yàn)證圖

爬坡性能驗(yàn)證主要是分析電動汽車在不同爬坡度下對應(yīng)的最高車速，即相應(yīng)的車速能通過的最大爬坡度是多少，如圖6所示，車速10 km/h對應(yīng)的最大爬坡度為20.8%；4%爬坡度對應(yīng)的車速112 km/h；12%爬坡度對應(yīng)的車速為78 km/h。

圖6 電動汽車不同坡度下對應(yīng)最高車速

4.3.3 加速時(shí)間驗(yàn)證

加速時(shí)間驗(yàn)證（即所說的加速度驗(yàn)證）仿真曲線，如圖7所示。從圖7可以看出，0～50 km/h加速時(shí)間為7.1 s；50～80 km/h 加速時(shí)間為 6.2 s；0～100 km/h 加速時(shí)間為20.4 s。

圖7 電動汽車加速時(shí)間仿真曲線

4.3.4 經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證

根據(jù)電動汽車的定位，本次仿真采用的是NEDC工況，本工況相對接近純電動汽車的實(shí)際工況，對應(yīng)的仿真結(jié)果也比較準(zhǔn)確，如圖8所示，當(dāng)電動汽車剩余電量為5%時(shí)，對應(yīng)的續(xù)航里程為134.6 km。

圖8 NEDC工況電動汽車?yán)m(xù)航里程仿真曲線

5 結(jié)論

仿真分析結(jié)果表明，該車爬坡性能為20.8%，符合大于20%的爬坡度設(shè)計(jì)要求；4%坡度的爬坡車速和12%坡度的爬坡車速分別為112km/h和78km/h，大于要求的目標(biāo)值60km/h和30km/h；最高車速112km/h，大于110km/h，滿足最高車速設(shè)計(jì)要求；0～50km/h和50～80km/h的加速時(shí)間分別為7.1 s和6.2s，滿足加速時(shí)間要求；續(xù)航里程為134.6km，大于100km，滿足行駛要求。初步判定，所進(jìn)行的動力匹配與初步選型滿足動力性和經(jīng)濟(jì)性要求，同時(shí)利用AVL-Cruise軟件建模仿真可以縮短研發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)成本，減少電動汽車在設(shè)計(jì)上的盲目性，為今后的電動汽車開發(fā)提供了重要的參考數(shù)據(jù)。