基于CRUISE的純電動(dòng)汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究

摘 要：根據(jù)整車性能指標(biāo)，分析電橋、電機(jī)、減速器、電池等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)需求，利用CRUISE仿真軟件，建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制模型，采用矩陣輸入方法，完成速比的匹配優(yōu)化、電池電量的確定、電機(jī)的驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，動(dòng)力系統(tǒng)的選型匹配對(duì)整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性影響很大，同時(shí)該研究可以指導(dǎo)純電動(dòng)汽車的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;電橋參數(shù)匹配;速比優(yōu)化

0 引言

近十年新能源汽車產(chǎn)業(yè)取得了飛速發(fā)展，越來(lái)越多的純電動(dòng)汽車產(chǎn)品走向個(gè)人市場(chǎng)，純電動(dòng)汽車的行駛環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，如何開(kāi)發(fā)一款高效節(jié)能的純電動(dòng)汽車，不論在常溫還是高低溫環(huán)境中，都能表現(xiàn)出良好的動(dòng)力性能與續(xù)駛里程，顯得尤為重要。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是純電動(dòng)汽車的核心部件，合理的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配能夠最大程度地提高純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和能耗經(jīng)濟(jì)性[1]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高壓動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車唯一的動(dòng)力源，通過(guò)電機(jī)及控制器將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)整車。目前普通開(kāi)發(fā)的動(dòng)力電池類型為鋰電池，擁有高能量密度和高功率密度，電動(dòng)機(jī)應(yīng)用廣泛的是永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)，本文選用的是三元鋰電池和永磁同步電機(jī)、單速比變速系統(tǒng)構(gòu)成的電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)。當(dāng)汽車起步加速和正常行駛時(shí)，電池給電機(jī)供電驅(qū)動(dòng)車輪，當(dāng)汽車滑行或制動(dòng)時(shí)，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)給動(dòng)力電池充電，從而實(shí)現(xiàn)能量回收。

1.2 整車目標(biāo)及關(guān)鍵參數(shù)

1.3 電橋參數(shù)確定

隨著電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，三合一產(chǎn)品越來(lái)越多，集成度高，效率高，本文首先確定電橋的基本參數(shù)，有更多的組合方案可供選擇和選取最優(yōu)方案。

1.3.1 電橋額定功率和額定扭矩

額定功率一般是由汽車在水平道路上以最高車速行駛的功率來(lái)確定[2]，此時(shí)電橋的輸出功率為：

式中：—電橋的額定功率，kW;M—為滿載質(zhì)量;f—為輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù);—為風(fēng)阻系數(shù);A—為迎風(fēng)面積，;—為最高車速，km/h;

同時(shí)額定功率還需要滿足30km/h爬坡12%的性能[3]：

式中：—為12%坡度;—為12%爬坡車速，取車速30，km/h;

同樣，在爬坡12%時(shí)，額定扭矩要滿足：

綜合最高車速和爬坡性能的兩條指標(biāo)，經(jīng)計(jì)算，需求的電橋額定功率至少為：13.5kW，額定扭矩至少為：555N.m。

1.3.2 電橋峰值功率和峰值扭矩

電機(jī)的峰值功率一般出現(xiàn)在最大爬坡度和全油門加速時(shí)，其中滿足最大爬坡時(shí)，電橋的峰值功率如下：

式中：—為最大爬坡度，25%;—為爬坡車速，取車速20，km/h;

汽車全油門加速時(shí)，滿足加速時(shí)間指標(biāo)，此時(shí)電橋的需求功率為：

式中：—為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);—為加速目標(biāo)車速，km/h;—為加速時(shí)間，s。

由于要同時(shí)滿足車輛最大爬坡度、全油門加速的要求，所以該電橋的最大輸出功率需求應(yīng)為：

代入最大爬坡度25%，爬坡車速20km/h以及0-50km/h加速時(shí)間6s后，可得電橋輸出峰值功率至少為：31kW，峰值扭矩1008N.m。

1.3.3 電橋最高轉(zhuǎn)速

依據(jù)汽車?yán)碚?，車速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，可得電橋的最高轉(zhuǎn)速為：

式中：—為電橋最高車速，r/min;—為設(shè)計(jì)的最高車速，km/h。

代入最高車速100km/h，考慮余量之后，電橋的最高轉(zhuǎn)速至少應(yīng)為：960r/min。

綜上計(jì)算結(jié)果，永磁同步電機(jī)的電橋主要參數(shù)：額定功率13.5kW，額定扭矩555Nm，峰值功率31kW，峰值扭矩1008Nm，電橋最高轉(zhuǎn)速960r/min。

2 基于CRUISE的建模及優(yōu)化仿真

AVL開(kāi)發(fā)的CRUISE軟件主要是研究整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能及制動(dòng)性能的軟件，其模塊化的建模理念，可以便捷地搭建不同布置結(jié)構(gòu)的車輛模型，本文主要借助CRUISE軟件進(jìn)行動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性仿真研究。

2.1 建模

圖1為在CRUISE里面搭建的純電動(dòng)單速比驅(qū)動(dòng)架構(gòu)模型，驅(qū)動(dòng)形式為前置前驅(qū)。

2.2 電橋分解及速比優(yōu)化

本文研究的是采用固定速比減速器的傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)于符合電橋需求的產(chǎn)品進(jìn)行篩選和優(yōu)化[3]，在速比7.9-9之間，利用CRUISE的矩陣式計(jì)算，進(jìn)行基于經(jīng)濟(jì)性的速比優(yōu)化分析。本研究選擇的是歐洲的駕駛循環(huán)工況NEDC和中國(guó)乘用車工況CLTC-P作為循環(huán)行駛工況，計(jì)算兩種工況下的續(xù)駛里程。經(jīng)過(guò)矩陣式分析可知，在傳動(dòng)比8.15-8.35之間，擁有較長(zhǎng)的續(xù)駛里程，電驅(qū)動(dòng)效率較高，同時(shí)也保證較好的動(dòng)力性能，最后以此速比范圍進(jìn)行產(chǎn)品選型開(kāi)發(fā)。

2.3 動(dòng)力電池電量確定

續(xù)駛里程是純電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，本文的里程設(shè)計(jì)指標(biāo)主要是NEDC工況，目標(biāo)直接決定了動(dòng)力電池電量的選取，通常以wh來(lái)表示能量源的能量EC的單位，能量的消耗就是循環(huán)工況中電池放電功率對(duì)時(shí)間的積分，電池放電功率就是電池當(dāng)前工作電壓與放電電流的乘積，其定義如下：

式中：u（t）—工作電壓（V）;i（t）—放電電流（A）;t—放電時(shí)間（s）。

3 結(jié)論

根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型的技術(shù)參數(shù)需求，最終選取的三合一電驅(qū)產(chǎn)品額定/峰值功率（15/35kW），額定/峰值扭矩（530/965Nm），電池可用放電量（27kWh），關(guān)鍵性能分析結(jié)果：最高車速（105km/h）;0-50km/h加速時(shí)間（5.39s）;最大爬坡度（28%）;NEDC續(xù)駛里程（309km）;通過(guò)仿真分析，整車的動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性都滿足目標(biāo)要求，給出電橋總成的需求，可以更加靈活地選擇電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，速比的優(yōu)化，使得經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性達(dá)到了平衡。本文提出了良好的建模與優(yōu)化控制方法，使得動(dòng)力電池、電機(jī)以及傳動(dòng)裝置達(dá)到最佳的匹配關(guān)系，同時(shí)也可以節(jié)約整車開(kāi)發(fā)成本，為指導(dǎo)整車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供重要的支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐東.基于蟻群算法的純電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)優(yōu)化研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，2015.

[2]余志生.汽車?yán)碚揫M].5版，北京：機(jī)械工業(yè)出版，2009.

[3]張奇，符曉玲，李珂，等.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配優(yōu)化與再生制動(dòng)策略[D].山東，山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院.

作者簡(jiǎn)介：梁新燕（1984-），女，河南衛(wèi)輝人，本科，主管工程師，主要研究方向：新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配分析與動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性性能開(kāi)發(fā)。