純電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配及仿真研究

姜良超，殷凡青，程吉鵬

（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

前言

純電動(dòng)汽車是指以動(dòng)力電池為儲(chǔ)能單元，電機(jī)為動(dòng)力輸出單元的車輛。其主要部件包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器、動(dòng)力電池及能量管理系統(tǒng)、整車控制器(VCU)等組成[1]。純電動(dòng)車的行駛工作形式為：動(dòng)力電池包經(jīng)過(guò)電源分配單元(PDU)將電流分配給各路用電器，其中最重要的一路為輸出至電機(jī)控制器(MCU)，MCU將直流電源轉(zhuǎn)化為三相電后供給電機(jī)，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使車輛克服行駛阻力，驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。另外，電動(dòng)汽車還能在滑行及制動(dòng)情況下將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在動(dòng)力電池中，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收功能。

純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)合理的參數(shù)匹配能夠充分發(fā)揮各部件的優(yōu)勢(shì)，使整車克服風(fēng)阻、滾阻、空氣阻力、加速阻力等阻力的同時(shí)，滿足其動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)指標(biāo)。對(duì)于純電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配，主要是依據(jù)車輛的最高車速、最大爬坡度、加速時(shí)間、續(xù)駛里程等設(shè)計(jì)指標(biāo)，完成電池、電機(jī)、主減速器參數(shù)的計(jì)算。其中電池的主要計(jì)算參數(shù)有電池能量、容量及放電倍率；電機(jī)的主要計(jì)算參數(shù)有額定功率、峰值功率、峰值扭矩、峰值轉(zhuǎn)速；主減速器主要確定其主減速比的范圍。本文針對(duì)某純電動(dòng)汽車，因其主減速比已確定，現(xiàn)根據(jù)整車參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)，完成電池、電機(jī)的選型[2]。

表1 車輛主要參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)

1 電機(jī)主要參數(shù)的確定

1.1 電機(jī)額定功率的確定[3]

根據(jù)整車目標(biāo)30min最高車速≥120km/h的要求，依據(jù)GBT 18385-2005電動(dòng)汽車動(dòng)力性能實(shí)驗(yàn)方法，因最大允許裝載質(zhì)量為375kg＞360kg，故加載質(zhì)量為187.5kg，參考公式：

為滿足 30min最高車速≥120km/h，需要電機(jī)額定功率≥30.69kW。

1.2 電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速的確定

根據(jù)整車目標(biāo)1km最高車速≥130km/h的要求，參考公式：

為滿足1km最高車速≥130km/h，需要電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速≥11424r/min。

1.3 電機(jī)峰值扭矩的確定

1.3.1 最大爬坡度對(duì)應(yīng)的電機(jī)需求

根據(jù)整車滿載最大爬坡度≥30%的目標(biāo)，此時(shí)加載質(zhì)量為滿載375kg，參考公式：

為滿足滿載最大爬坡度≥30%，要求電機(jī)峰值扭矩≥241.40Nm。

1.3.2 NEDC工況所對(duì)應(yīng)的電機(jī)需求

為使整車能夠在 NEDC工況中能夠較好的跟隨速度曲線，要求電機(jī)峰值扭矩≥84.53Nm。綜上，確定電機(jī)峰值扭矩為241.40Nm。

圖1 NEDC工況需求扭矩

1.4 電機(jī)峰值功率的確定

1.4.1 1km最高車速對(duì)應(yīng)的電機(jī)需求

根據(jù)整車目標(biāo)1km最高車速≥130km/h的要求，參考公式：

為滿足1km最高車速≥130km/h，需要電機(jī)峰值功率≥37.94kW。

1.4.2 0～50km/h加速對(duì)應(yīng)的電機(jī)需求

根據(jù)整車目標(biāo)0～50km/h加速時(shí)間≤4s的要求，參考公式：

式中：tb—加速時(shí)間，s；vn—電機(jī)為基速時(shí)對(duì)應(yīng)的車速，km/h，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，基速估取nmax/ 3；

為滿足 0～50km/h加速時(shí)間≤4s，需要電機(jī)峰值功率≥100.22kW。

1.4.3 50～80km/h加速對(duì)應(yīng)的電機(jī)需求

根據(jù)整車目標(biāo)50～80km/h加速時(shí)間≤4s的要求，參考經(jīng)驗(yàn)公式：

為滿足50～80km/h加速時(shí)間≤4s，需要電機(jī)峰值功率≥82.57kW。

1.4.4 NEDC工況所對(duì)應(yīng)的電機(jī)需求

為使整車能夠在 NEDC工況中能夠較好的跟隨速度曲線，要求電機(jī)峰值功率≥49.35kW。

另外，按照電機(jī)峰值扭矩為 241.40Nm，電機(jī)在基速(取3800r/min)時(shí)，達(dá)到峰值功率，依據(jù)得峰值功率為95.5kW。綜上，要求電機(jī)峰值功率≥100.22kW。

2 電池主要參數(shù)的確定

2.1 NEDC續(xù)駛里程能量與容量要求

每個(gè)NEDC工況下所消耗電池包總電量可通過(guò)電機(jī)消耗能量沿時(shí)間方向累加獲得：

式中：ηt—電池充放電效率；Spre-NEDC—一個(gè)NEDC行駛里程，經(jīng)計(jì)算為11.028km。

NEDC工況下百公里電耗為16.96kWh，則NEDC工況下行駛350km高壓電耗為(能量回收率按15%計(jì)算)：

低壓附件電器平均消耗功率估計(jì)為 200W，NEDC工況下行駛350km所消耗的電池電量Ebatt-low=2.35kWh (電池包放電與DC/DC轉(zhuǎn)化的綜合效率按88%計(jì)算)：

NEDC工況下行駛 350km所消耗的電池包總電量為(DOD按95%計(jì)算)：

依據(jù)能量與容量的關(guān)系 q=W/U得容量 q=55580/345=161.1Ah。

2.2 電池放電倍率的確定

動(dòng)力電池的總能量需滿足：

式中：PmotorMax--驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率，kw；k--最大放電率；Ebatt--動(dòng)力電池總能量，kWh；ηm--驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器效率，取值88%。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可得到動(dòng)力蓄電池的最大放電倍率需＞2.04。

綜上，電池電機(jī)的主要計(jì)算參數(shù)如下表所示：

表2 電機(jī)電池主要參數(shù)

3 仿真結(jié)果分析

3.1 制動(dòng)能量回收查表法建立

圖4 Simulink能量回收模型

圖5 電機(jī)制動(dòng)扭矩

在此處，制動(dòng)控制策略簡(jiǎn)單可以描述為：僅在電池SOC低于 95%并且車速高于 9km/h時(shí)的制動(dòng)情況下進(jìn)行能量回收；為了提高制動(dòng)能量回收效率，制動(dòng)踏板留有 15%的制動(dòng)踏板空行程，在此空行程中進(jìn)行純電制動(dòng)，超過(guò)此空行程進(jìn)行電機(jī)和機(jī)械復(fù)合制動(dòng)[4]。模型建立如圖4所示，電機(jī)制動(dòng)扭矩同車速、制動(dòng)踏板開度制定成的二維查表輸出如圖5所示。

3.2 CRUISE車輛模型建立

依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，將計(jì)算結(jié)果輸入，建立車輛CRUISE模型如圖6所示，并完成信號(hào)線的連接。

圖6 CRUISE車輛模型

3.3 仿真結(jié)果

依據(jù)國(guó)標(biāo)GBT 18385-2005、GBT 18386-2017設(shè)置加載質(zhì)量并建立爬坡度、最高車速、加速時(shí)間、續(xù)駛里程等計(jì)算任務(wù)[5]，仿真結(jié)果如下表3所示：

表3 參數(shù)項(xiàng)仿真值與設(shè)計(jì)值對(duì)比

4 總結(jié)

依據(jù)整車主要參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)，在已有的計(jì)算理論上參照NEDC行駛工況，對(duì)車輛的動(dòng)力電池及電機(jī)進(jìn)行了參數(shù)匹配及選型，并搭建二維查表的制動(dòng)能量回收模型與 CRUISE車輛模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，使仿真結(jié)果更加逼近實(shí)際值，仿真結(jié)果表明該計(jì)算方法能夠滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，驗(yàn)證了其可行性，表明了該動(dòng)力系統(tǒng)匹配方法對(duì)純電動(dòng)車整車模型的搭建具有一定的理論指導(dǎo)意義。