基于CRUISE的純電動轎車性能仿真與試驗研究*

岳鳳來，張俊紅，周能輝，鄭廣州

(1.天津大學，內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072; 2.天津清源電動車輛有限責任公司，天津 300457)

前言

在給定的電池條件下，對電動汽車動力系統各部件進行合理選擇，提高電動汽車的動力性能，增加續駛里程，是電動汽車研發機構的共同目標［1］。

AVL CRUISE軟件可以實現對復雜車輛動力傳動系統的仿真分析和快速搭建各種復雜的動力傳動系統模型，并可同時進行正向或逆向仿真分析［2－3］。本文中應用CRUISE軟件建立了電動汽車動力系統模型，并用此軟件對其動力性能進行了仿真分析，為動力系統選配提供參考。

1 純電動汽車動力學模型

電動汽車主要性能參數包括:最高車速、加速時間、最大爬坡度和續駛里程。

電動汽車直線行駛時，其動力學方程為

式中各個常用的系數定義可參考文獻［4］。

本文中基于一款傳統汽油車，原車整備質量和電動汽車設計目標見表1。

表1 原車參數及電動汽車設計目標

2 電機性能需求

電機的功能是替代傳統發動機，為整車提供動力來源。在平坦路面行駛時，電機的動力用來克服汽車行駛阻力，主要為滾動阻力和空氣阻力。在某一車速下電機的功率需求(忽略坡道和加速阻力)為

式中:Pe為電機功率，kW;ηT為從電機到車輪的機械傳動效率;m為整車質量，kg;f為滾動阻力系數;ua為車速，km/h;CD為風阻系數;A為迎風面積，m2。

在某一車速下電機的轉矩需求(忽略坡道和加速阻力)為

式中:Ttq為電機轉矩，N·m;r為車輪滾動半徑，mm;ig為變速器減速比;i0為主減速器減速比。

依據以上原則，初步選定一套額定功率為20kW、最大功率為50kW的電機系統，其外特性曲線和電機系統效率如圖1和圖2所示。

3 動力電池匹配

電池參數的確定主要考慮到最大輸出功率和電池能量，以保證電動汽車的動力性能與續駛里程。目前作為純電動汽車的動力電池主要有鉛酸、鎳鎘、鎳氫、鋰離子和燃料電池等。目前電池放電電流和放電時間的計算主要采用Peukert方程［5］，即

式中:I為電流，A;T為放電時間，h;C為電池容量，A·h;n為與蓄電池結構有關的常數。

本文中，初步選擇3.6V、80A·h的鋰離子動力電池，電池組采用 84只單體串聯，組成 302V、80A·h動力電池組。

4 基于CRUISE的整車仿真模型的建立與仿真

4.1 建立CRUISE的整車仿真模型

根據上述各主要部件模型建立整車仿真模型，確定各部件具體仿真參數，如:機械部件的質量與效率，電器部件的質量與功率等。整車傳動系統仿真參數如表2所示。

表2 純電動汽車傳動系統仿真參數

對各個動力系統進行建模以后，可得CRUISE整車仿真模型，如圖3所示。

4.2 仿真

本仿真的主要目的驗證初步選定的各部件參數是否滿足車輛設計要求，并希望得到較為準確的動力性能值和續駛里程。按照CRUISE仿真流程，主要內容為:(1)各擋位最高車速計算;(2)各擋位整車加速性能計算;(3)各擋位爬坡性能計算;(4)各擋位勻速行駛續駛里程計算。

5 仿真計算與試驗結果分析

仿真邊界條件:電池初始 SOC為90%，終止SOC為10%。仿真加載質量等邊界條件遵循GB/T18386—2005《電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》。

5.1 不同擋位下整車各項性能分析

通過CRUISE仿真計算，得到不同擋位下整車各項性能，見表3。

表3 不同擋位下整車性能仿真結果

從表3中可以得到整車的動力性能、爬坡性能和不同車速下勻速行駛續駛里程。按照該車設計目標，對整車匹配方案進行選擇，綜合考慮以上因素，固定2擋具有較好的加速性能和爬坡性能，且具有較長的續駛里程，最終選擇2擋作為固定速比。

5.2 電動車仿真與試驗結果對比

在固定2擋速比下，對整車各項性能進行分析，并與試驗結果進行對比，各性能參數見表4，不同車速對應電機轉速見表5。

表4 純電動汽車性能仿真與試驗結果對比

表5 不同車速對應電機轉速

圖4為不同擋位、不同車速勻速行駛續駛里程仿真結果，圖5為固定2擋條件下，電動車滿載時各車速的爬坡性能仿真曲線，圖6為固定2擋條件下，整車加速性能仿真曲線。

由仿真結果與試驗結果對比可知，該純電動轎車的續駛里程、最高車速、加速性能和爬坡性能等動力性能滿足設計目標，該匹配方案合理。動力系統和傳動系統的參數選擇滿足設計要求，仿真計算結果與試驗結果誤差小于5%，仿真結果合理可靠。

從仿真結果還可得出，車速在30km/h勻速行駛時可得到最長續駛里程，該車速為最經濟時速。

6 結論

(1)應用AVL CRUISE仿真軟件，進行了某純電動汽車動力系統的建模與仿真分析，能夠有效地對純電動汽車的性能進行預測，為純電動汽車的研究開發提供可靠的依據。

(2)純電動汽車的性能仿真，為動力系統選擇與匹配提供了參考，仿真計算與試驗結果誤差較小，仿真結果合理可靠。所選動力總成部件與整車匹配后能夠滿足純電動轎車動力性能的要求。

［1］姬芬竹，高峰，周榮.電動汽車傳動系統參數設計和續駛里程研究［J］.遼寧工程技術大學學報，2003，25(3):426 －428.

［2］AVL Cruise Version 3.0 User's Guide［G］.AVL LIST GmbH，2005.

［3］劉振軍，趙海峰，秦大同.基于CRUISE的動力傳動系統建模與仿真分析［J］.重慶大學學報(自然科學版)，2005，28(11):8 －11.

［4］余志生.汽車理論［M］.北京:機械工業出版社，2000.

［5］Dkarimi M，Mokhtari H，Iravani M R.Wavelet Based On-line Disturbance Detection for Power Quality Application［J］.Power Delivery，2000，15(14):1212－1220.