某純電動轎車動力系統匹配設計及CRUISE仿真研究

2018-03-20 09:22:40崔淑華遲云超

森林工程 2018年2期

崔淑華，遲云超

0 引言

純電動汽車的車載動力源為驅動電機和動力電池，動力性和經濟性是主要的性能指標之。汽車的動力性主要是由汽車的最高車速、加速時間以及最大爬坡度［1］。合理的對其動力系統關鍵零部件的參數進行匹配不僅可以滿足純電動汽車整車的動力性要求，還可以提高純電動汽車的續駛里程，提高汽車的經濟性能。

對純電動汽車的動力單元即驅動電機、動力電池等關鍵部件的選型與參數計算,純電動汽車電池、驅動電機以及傳動系各組成部分之間匹配程度，是影響汽車動力性的重要因素，也是提高汽車綜合性能并推動汽車節能的重要舉措之一［2］。

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［3-4］。通過建立系統的數學模型和仿真模型并對其實際工作狀況進行仿真分析，能夠很好地預測各種條件下的系統性能，從而不但可以事先靈活地調整設計方案，合理優化參數，而且可以降低研究費用，縮短開發周期［5-6］。

本文應用CRUISE建立整車模型，對研究對象的動力系統參數匹配設計進行仿真分析，從而驗證動力系統參數匹配的可行性和合理性。

1 動力系統匹配設計

選取某一款對動力性有較高要求的純電動汽車進行設計研究。本文所研究的純電動汽車整車主要技術參數值見表1。

參考國家純電動車的試驗標準［GB/T 19596-2004］，再結合市場生產要求，提出了本文對純電動汽車設計的性能指標，見表2。

表2 性能要求Tab.2 Performance requirements

1.1 驅動電機的參數匹配

電動汽車驅動電機功率應能滿足電動汽車對最高車速、最大爬坡度以及加速時間的要求［7］。

（1）由最高車速umax確定最大功率Pmax1。

最高車速是指在良好的路面（混凝土和瀝青）上汽車能達到的最高行駛速度?？紤]最高車速的情況下，車輛在平坦路面上受到的阻力主要是空氣阻力和滾動阻力，因此該工況下可得汽車的功率平衡方程式為：

（2）根據加速性能確定最大功率。

依據動力學方程，其加速過程總功率為

加速末時刻汽車的輸出功率達到最大。因此，加速過程最大功率為

式中：mu為末速度；mt為加速時間。

加速末時刻的最大功率與其平均功率接近，因此，對上式進行積分求，可表示為

（3）根據最大爬坡度計算最大功率max3P 。

在車輛爬陡坡時由于車速較低，不考慮車輛的空氣阻力和加速阻力，爬坡時的功率公式為：

式中： ui為爬坡過程的均速度，取30 km/h。

將整車參數代入上述各公式得出 pmax1=52.02 k w,pmax2=138.62 k w, pmax3= 5 3.44kw綜合考慮以上動力性指標要求，該純電動汽車動力系統功率需求應滿足：

驅動電機的額定功率可根據峰值功率求得，可根據公式（3）求出：

電機的過載系數一般按λ=1.5～2［8］計算，本文中λ取2。代入公式（3）則相應的電機的額定功率

根據計算結果和電機廠商的生產能力，最后確定選擇美國Clean Wave電機,額定功率90 kw，峰值功率為150 kw。

純電動轎車為滿足160 km/h的最高車速要求，結合實際電機產品類型，選擇驅動電機的最高轉速為n峰=15 000 r/min。驅動電動機的最高轉速與它的額定轉速的比值也稱電機擴大恒功率區系數β，一般取2～3［9］，驅動電機最高轉速和額定轉速的關系為

這里的β取2，因此驅動電機的額定轉速應在3 750 ～10 000 r/min［8］。結合目前實際驅動電機產品型號，額定轉速確定為7 500 r/min。

驅動電機的額定轉矩可由電機的額定轉速與額定功率求得，計算公式為：

式中：T 為驅動電機的轉矩，Nm

將參數帶入公式（5）計算驅動電機的額定轉矩T額=115 Nm，電機具有短暫的過載能力，根據前面提供的過載系數λ最后確定電機的峰值轉矩T峰=215 Nm。

根據計算結果，結合驅動電機產品實際，確定本設計所需驅動電機的性能參數見表3。

表3 驅動電機參數Tab.3 Drives the motor parameters

1.2 動力電池參數匹配

動力電池組電壓級別與電機工作電壓相匹配，確定為380 V。其次，根據設計目標，以60 km/h勻速行駛230 km為達到續航里程的要求對動力電池參數進行匹配［9］。

勻速行駛時純電動汽車需求的功率為

式中：u=60 km/h，帶入P=5.51 kw。

純電動車的需求能量：

計算得到avgW =23.88 kwh。

式中：addW 為電動附件所耗的電量（總量的20%），將參數代入上述公式得W=29.85 kwh。

式中：essW為電池組實際釋放能量；socξ為電池組有效放電容量系數，一般取0.8，計算得essW=37.31 kwh。

根據電池總能量可以求出電池容量，計算公式：

式中：U 為電池組工作電壓；C為電池組的容量。計算電池容量C=98.18 Ah。

選擇的動力電池為三元鋰離子電池，根據廠家現有產品的規格參數，確定仿真車型的動力電池參數見表4。

表4 動力電池參數Tab.4 Dynamic battery parameters

1.3 傳動系速比的匹配

汽車傳動系傳動比的選擇對汽車的動力性與燃油經濟性有很大影響。純電動車也是如此，必須充分考慮到滿足這兩個基本性能的要求。傳動比主要是變速器和主減速器速比匹配的確定。最大傳動比主要取決于最大爬坡度，最小傳動比主要取決于最高車速［10-12］。

（1）最小傳動比的確定

考慮到驅動電機特性及轉速、驅動力、車速的關系，以最高車速和電機最高轉速確定最小傳動比。

（2）最大傳動比的確定

考慮三方面的問題：最大爬坡度、附著率及汽車最低穩定車速。當主減速器速比已知時，變速器最大傳動比即為一檔傳動比［13］。忽略汽車爬坡時的空氣阻力，汽車的最大驅動力應為：

即

將整車參數代入公式（10）、（11）計算得：imax≤ 1 1.62，imin≥ 9 .81。結合制造商條件和實際產品的規格，確定總傳動比=11.32。

目前純電動汽車產品，尤其是小型的轎車車型上采用了固定速比的一檔減速器與主減速器共同起到對電機輸出的減速增扭作用［14-15］，所以本文選取一檔變速器為仿真目標。

根據車速與傳動比關系，用最高車速確定主減速器的傳動比為i0=1，即ig=11.32為固定速比的減速器。

2 CRUISE 整車模型建立與仿真研究

2.1 整車模型的建立

應用CRUISE軟件對汽車的動力性、經濟性、制動性以及排放性能進行仿真分析，建立的整車模型如圖1所示，關鍵部件仿真設置參數如圖2所示。

圖1 整車模型的搭建Fig.1 Construction of vehicle model

2.2 整車仿真結果分析

2.2.1 經濟性仿真分析

循環工況仿真分析。采用了（NEDC）循環工況和60 km/h等速工況模擬行駛進行仿真分析，SOC仿真曲線如圖2所示，循環工況仿真結果如圖3所示。目標車輛行駛平順性良好，SOC下降曲線穩定，并且停車時SOC沒有明顯的突變，停車時電機隨即停止運行，不消耗能量，減少動力源做無用功，做到真正的節能減排［16-17］。

圖2 （NEDC）循環工況電流、電壓、SOC仿真變化曲線Fig.2 Curve of current, voltage and SOC of circulating operating conditions

圖3 （NEDC）循環工況仿真結果Fig.3 (NEDC) simulation results of cycle conditions

兩個循環工況均以動力電池剩余電量SOC為起始條件，考慮到動力電池的充放電特性，在CRUISE仿真任務中設置電池的SOC從90%為起始。兩個循環工況均順利完成，通過整個循環工況汽車行駛的總距離來觀察整車續航里程，各循環工況仿真結果如圖4所示。

圖4 60 km/h等速工況循環仿真結果Fig.4 Cycle simulation results of 60 km/h constant speed condition

2.2.2 動力性仿真分析

（1）百公里加速時間仿真分析。由電機外特性可知，基速之前電機恒轉矩工作，并且以最大轉矩輸出；基速之后電機恒功率工作，平緩達到最大有效功率。根據所選驅動電機的轉矩、轉速，預設達到最大的動力性結果，通過cruise軟件仿真result報告可知，該車輛在全負荷加速任務下，起步加速至100 km/h所用時間為7.39 s。仿真結果如圖5所示。