純電動汽車動力系統參數設計與仿真研究

王若飛，高文根，牛明強

（1.奇瑞新能源汽車技術有限公司，安徽 蕪湖2.安徽工程大學安徽檢測技術與節能裝置省級重點實驗室）

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新能源汽車

純電動汽車動力系統參數設計與仿真研究

王若飛1，高文根2，牛明強2

（1.奇瑞新能源汽車技術有限公司，安徽 蕪湖2.安徽工程大學安徽檢測技術與節能裝置省級重點實驗室）

摘 要：純電動汽車具有零排放、低耗能、高效率等優點，是汽車行業發展的方向。動力性能與經濟性能是衡量電動汽車性能的主要指標。文章針對一款電動汽車，根據相應指標要求標準，對其傳動系統主要部件進行參數匹配設計，并運用專業仿真軟件CRUISE進行整車仿真，結果表明參數設計符合要求，對整車開發具有理論指導意義。

關鍵詞：純電動汽車；參數匹配 ；CRUISE仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.032

CLC NO.: U469.72Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-94-04

前言

純電動汽車動力系統由動力電池、驅動電機、傳動裝置等組成的非穩態系統，各部件之間協調控制相對復雜，若僅以實車實驗作為開發手段，不僅造成消耗浪費大量人力物力，并且會大大延長整車開發周期[1-2]。所以，針對一款新型汽車實車實驗前，需對整車進行專業建模仿真。根據仿真結果再不斷反向優化修正各關鍵部件參數，直至仿真結果符合事先設定的整車設計目標。通過專業汽車仿真軟件AVL Cruise對整車動力系統建模與控制策略建模可以大大縮短整車開發周期，降低整車開發成本[3-4]。

1、關鍵參數匹配與設計

1.1 車輛參數與性能指標

本文研究對象選擇為某款純電動汽車，其關鍵參數與性能指標分別如表1、表2所示。下文將針對此款車型進行動力系統關鍵部件驅動電機、動力電池及傳動比等進行參數設計匹配，滿足設定的動力性與經濟性指標。

表1　整車關鍵參數

表2　車輛性能指標

1.2 驅動電機參數設計

電機驅動系統是整車的動力來源，其系統參數的設計準則之一是滿足車輛性能指標的動力性要求[5-6]。可將動力耦合裝置看作一個整體，要求其輸出功率、轉速及轉矩滿足整車動力性需求則已。

（1）當車速最快時，計算車輛最大需求功率可以忽略坡度阻力，主要考慮風阻力和滾動阻力影響，其表達式為：

式（1）中，umax為最高車速，η為傳動系效率，f為滾動阻力系數，CD為空氣阻力系數，A為迎風面積。本文取η=0.9。

（2）當車輛為某一恒定速度爬坡時，最大需求功率表達式為：

式（2）中，uα為車速，φmax為行駛坡度角度，αmax=arctanφmax。

（3）在車輛加速過程中，主要考慮風阻力、滾動阻力以及加速阻力，坡路阻力較小，可以忽略，加速階段最大需求功率表達為：

式（3）中，由于車輛加速過程中，所需功率呈現漸增趨勢，加速末期所需功率達最大，故um為加速末期車速，tm為加速時長，δ為旋轉質量換算系數。

驅動電機最大功率設計必須滿足車輛在不同工況下的電驅動需求，即需要大于車輛在最高車速、爬坡、加速等行駛工況下的最大功率需求，由此可得電動汽車動力驅動系統最大功率約束條件為：

表3　驅動電機參數

將本文所研究車型相關參數帶入式（1）至式（4）中，計算電機驅動功率為Pmax=45kW。根據我國道路最高限速情況，取車速120km/h對應的恒速驅動功率作為系統額定功率輸出下限值[7]，理論計算值為PN=25kW。綜合實驗室現有條件進行選擇，本文中驅動電機具體參數選擇如表3所示。

1.3 動力電池組參數設計

動力電池組作為純電動汽車唯一動力源，其參數對整車性能影響至關重要。本文設計綜合考慮價格與品質，電動汽車的動力電池組選擇市面常見的鋰離子電池組。根據電池組電壓等級設計匹配驅動電機工作電壓需求的原則，在滿足車輛正常運行需求的基礎上，留有一定裕量，電池組電壓等級設計為U0= 320V 。

依據整車設計目標，考慮電池組使用壽命，保證電池組放電容量不超出有效范圍，車輛以60km/h勻速行駛的續駛里程能達到150km以上。令車輛行駛的勻速為uele，電池組負載功率為：

式（5）中，Pele為電池組負載功率，ηT為傳動效率，ηcon為電機效率，ηbat為電池組放電效率。

車輛以勻速uele滿足續駛里程S所需能量為：

動力電池組能量約束條件為Wele＞ Wroad。

動力電池組按照放電深度放電，所能放出的額定能量為：

式（7）中ξsoc為電池組有效放電容量，本文設計采用鋰電池，其取值范圍在10%~90%。

由式（6）與式（7），可求得滿足續駛里程條件的動力電池組容量為：

實際情況中，車載空調、娛樂等附件耗電量約占總容量15%左右[8]。依據相關參數可確定電池組總電壓為U0= 320V，容量C= 65Ah 。綜上，設計動力電池組參數如表4所示。

表4　動力電池組參數

1.4 傳動比設計

電動汽車的傳動比與整車動力性與經濟性存在很大關聯，因此傳動比參數設計非常重要[8]。

電動汽車傳動比下限由最高車速及電機最大轉速決定，上限由整車最大爬坡度及電機最大轉矩決定。

式（9）中，Tmax1為電機最大輸出扭矩，Tna為爬坡工況下汽車對行星架轉矩需求，r為車輪滾動半徑，Ftmax為汽車最大輸出動力，ψ為路面附著系數。

根據計算結果并在不大幅改動原車傳動結構的基礎上，本文選擇傳動比為i0= 6.65。

2、模型建立與仿真分析

2.1 整車CRUISE仿真模型建立

CRUISE是一款前向式汽車專業仿真軟件，可以用于汽車動力系統各構件的匹配以及整車動力性能與經濟性能的預測仿真。整車子模塊主要有整車模塊（Vehicle）、駕駛室模塊（Driver）、單級減速模塊（SRT）、電機（E-motor）、電池（Battery）、車輪（Wheel）、制動器（Brake）、差速器（Final Drive）、整車控制模塊等[9]。整車模型如圖1所示。建模取值。

圖1　整車仿真模型

上述匹配設計的動力系統的各部件的主要性能參數需要通過各部件對應的子模塊參數設置具體體現。模型中電機需要輸入其外部特性及效率分布等信息[10]。如圖2、圖3所示為電機模型需根據選型電機實際特性采樣建立相應的“轉速-轉矩”外部特性圖及效率圖等。另電池特性曲線及整車質量等參數需要根據前文設計需要輸入模型的各個子模塊中，由于本文篇幅有限，不再一一詳述。

圖2　電機外部特性圖

圖3　電機效率分布圖

2.2 仿真結果分析

2.2.1 整車NEDC工況性能分析

圖4　NEDC工況下車速與電機輸出轉矩對比圖

圖5　NEDC工況SOC變化曲線

圖4為NEDC工況下車速與電機輸出轉矩對比圖，由圖中可知本車能較好的完成指定工況任務，由于本車設置有能量回收功能，所以在車速下降時電機輸出轉矩值存在負值，即整車在減速或剎車時，帶動電機反轉發電，逆向動力電池充電。圖5為本車一個NEDC工況中電量消耗SOC變化曲線，可以看出SOC曲線在整個過程中部分節點小幅上升，但整體上呈平緩下降趨勢，不存在激變現象，由此可得，電機與電池的匹配較為合理，整車滿足常見工況行駛要求。

2.2.2 整車動力性能分析

仿真取爬坡車速uα=20km/h。圖6為整車滿載下爬坡曲線，根據曲線可知汽車在20km/h速度下最大爬坡度為23.3%，滿足整車動力性設計要求。同時根據仿真結果result文檔可見：汽車最大速度汽車最大速度Vmax=113km/h，仿真結果滿足設計要求，進一步證明CRUISE軟件的可靠性。

圖6　整車滿載下爬坡曲線

表5為整車滿載加速時刻表，可知該車從靜止加速至100km/h需要時長為16.68s，小于設計要求的20s。

表5　整車滿載加速時刻表

2.2.3 整車經濟性能分析

由圖5可知，一個NEDC工況完成后，整車電池剩余電量水平下降ΔSOC =7%。經過計算可知，NEDC工況下，整車續駛里程為124km，高于整車制定經濟性目標。同時根據仿真結果result文檔可得：該車以60km/h勻速行駛時最大續駛歷程為160km。以上兩種工況下的續駛里程均滿足整車經濟性能設計要求。

3、結束語

本文針對整車的動力性與經濟性指標要求，對電機、動力電池等動力系統關鍵部件進行匹配計算與設計。并進一步運用汽車仿真專業軟件CRUISE對相關設計參數進行仿真，結果分析表明：設計參數滿足整車爬坡、加速、最大續駛歷程等指標，CRUISE仿真具有較強的合理性與真實性，可為相關參數優化及控制策略實現提供理論參考，對降低整車開發周期具有積極意義。

參考文獻

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中圖分類號：U469.72

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)04-94-04

作者簡介：王若飛，就職于奇瑞新能源汽車技術有限公司。

Parameter Design and Simulation of Powertrain System for Pure Electric Vehicle

Wang Ruofei1, Gao Wengen2, Niu Mingqiang2
（1.Chery New Energy Automotive Technology Co., Ltd; 2. Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Energy Saving Devices, AnHui Polytechnic University）

Abstract:Pure electric car with zero emissions, low energy consumption, high efficiency and other advantages, is the direction of development of the automotive industry. Dynamic performance and economic consideration is the primary indicator to measure the performance of electric vehicles. For an electric car in this paper, according to the corresponding index standard requirements to match and design the transmission parameters of its major components, and using the professional simulation software CRUISE to simulate. The results show that the design meets the requirements of the parameters, has a theoretical guide for vehicle development.

Key words:pure electric vehicle; Parameter matching; simulation based on CRUISE