純電動汽車動力系統仿真技術研究與應用

劉建春　齊巍

摘 要：純電動汽車動力系統參數匹配設計對整車性能有很大影響，本文基于MATLAB平臺搭建純電動汽車性能仿真分析模型，根據整車基本參數和目標性能要求，確定動力傳動系統參數匹配設計方法，并通過對電機、電池及傳動系統參數優化來確保整車動力性能和經濟性能達到最優值，并根據模擬仿真結果對各參數影響進行評價分析，進一步驗證設計方案的合理性。

關鍵詞：純電動汽車;系統匹配;仿真建模

1 引言

電動汽車系統仿真技術主要通過建立車輛及相關部件的系統模型從而對車輛的相關性能指標進行仿真分析，使得在技術方案的選擇階段能夠對眾多候選部件進行替換研究，并通過對候選部件進行模擬仿真從而找到最佳匹配方案;從而簡化了實車原型和大量樣車試驗，大大縮短了設計周期和成本，同時有助于為樣車的設計和試驗提供工程目標。

采用計算機仿真的研究方法將大大提高電動汽車設計的前瞻能力，在這種快捷而高效的拓撲研究思路的引導下，系統設計的全過程將得以改善，使得在較短時間內把性能更優的電動汽車產品推向市場成為可能。在電動汽車的開發前期，對其進行系統仿真的意義在于：

（1）為新車型的開發提供指導性意見;

（2）有針對性地提出設計目標和需求;

（3）對新車型的主要性能進行預測;

（4）研究和開發新的與實際需求最為匹配的控制策略;

（5）研究相關參數及其相互匹配情況。

新能源動力系統作為電動汽車的核心組成部分，其參數的選型匹配直接影響整車的性能表現（以動力性、能耗經濟性為代表）。

因此在電動汽車研制的前期，對動力系統、傳動系統、控制系統乃至附件系統進行全方位的數學建模與分析，搭建相應的系統仿真平臺，并通過對不同部件及能量管理策略的反復仿真分析，從而為確定原型車參數配置提供參考。

2 仿真分析方法

整車性能匹配仿真主要方法是基于MATLAB編寫仿真程序，或在Advisor等仿真軟件中調用整車及各部件的仿真模型，然后配置實車的各項基礎參數，通過仿真軟件模擬計算各動力系統參數配置組合下車輛的性能;并基于仿真結果對相關仿真參數進行調整，從而尋求滿足性能目標設計要求的參數匹配方案。

2.1 仿真輸入

純電動汽車動力系統仿真輸入參數如表1所示。

2.2 性能評價

純電動汽車動力性能一般用最高車速、加速時間、爬坡性能三個指標來衡量，經濟性能一般用循環工況能耗率或續駛里程來評估，見表2。

3 仿真分析模型及算法

3.1 動力性能仿真分析

動力性能仿真主要根據車輛動力學-功率平衡理論進行模擬分析計算。

純電動汽車行駛驅動力：

純電動汽車行駛阻力：

其中：

Ttq—電機轉矩

igi—i檔傳動比

i0—主傳動比

ηt—傳動效率

r—輪胎滾動半徑

G—整備質量

f—滾阻系數

α—坡度

CD—風阻系數

A—迎風面積

v—車速

根據汽車運行過程中驅動力與行駛阻力平衡的原理，分別對各極限行駛狀態進行分析，以下分別以車輛運行最高車速、加速時間、最大爬坡度三個指標為例對仿真模型進行介紹。

3.1.1 最高車速仿真分析

電動汽車最高車速主要取決于車輛牽引力和阻力之間，或電機的最大轉速和傳動裝置傳動比之間的平衡。仿真計算模型如圖1所示。

3.1.2 加速性能仿真分析

電動汽車的加速性能由車輛從當前低速加速到下一較高車速時所需的時間來評價。仿真計算模型如圖2所示。

3.1.3 爬坡性能仿真分析

電動汽車的爬坡能力一般用滿載時汽車在一定速度下（國標《GB/T 18385-2005電動汽車動力性能試驗方法》規定為：1min內向上行駛至少10m）能克服的最大坡度來衡量。仿真計算模型如圖3所示。

3.2 經濟性能仿真分析

電動汽車經濟性能一般用循環工況能耗率及續駛里程來評估。

影響能耗的主要決定因素包括整車重量、滿載質量、行駛阻力、電器負載、電機系統工作效率、動力傳動效率、能量回收效率以及電池充放電效率等。續駛里程則與能耗、電池能量、蓄電池的放電深度、放電效率等因素相關。

3.2.1 勻速工況

勻速工況常采取40km/h（客車）、60km/h（乘用車）等典型工況對車輛能耗及續駛里程指標進行評價，仿真模型如圖4所示。

3.2.2 綜合工況

目前純電動乘用車經濟性能評價普遍采用ECE工況或NEDC綜合工況進行評價。仿真模型如圖5所示。

4 應用場景及實例

4.1 應用場景

影響初電動汽車動力經濟性能因素有很多。驅動電機的峰值轉速、峰值扭矩以及車輛本身的參數都是影響電動汽車的動力性能的因素，動力電池的放電性能、動力傳動效率、能量回收效率等則影響整車能耗及續駛里程。為進一步提升整車性能并降低產品成本，在設計時應綜合考慮各項因素，對整車及動力系統參數進行優化匹配，達到最佳的系統匹配方案。電動汽車動力經濟性能仿真分析主要應用價值在于通過系統仿真的方法，對企業預研車型提供參數匹配方案及產品優化設計建議。

（1）基于整車設計輸入仿真計算車輛動力經濟性能理論值，并與設計目標值進行比對，分析整車及動力系統匹配存在的問題，并提供優化建議。

（2）對標分析競爭車型技術水平，提出產品設計改進及核心性能（包括動力性、能耗經濟性、充電性能等）提升建議。

4.2 應用示例

本文針對某純電動轎車進行初步參數匹配，并借助仿真模型對參數匹配方案進行優化，最終達到設計目標要求。初步匹配參數輸入如表3：

將以上參數導入MATLAB仿真程序，并對參數進行反復優化及仿真分析，最終輸出結果如表4所示。

根據仿真結果，追溯整車及部件匹配參數，確定電機最高轉速為9000rpm，峰值扭矩為280N*m，單級減速器減速比為7.92，其它參數與初始仿真輸入一致，最終車輛動力經濟性能達到設計目標要求。

5 總結

本文從純電動汽車整車參數和目標性能要求出發，通過建立整車及系統仿真模型，具體分析各動力參數對整車動力經濟性能的影響，并對輸入參數不斷調整優化進行反復模擬仿真分析，最終得到理想的參數匹配結果。

應用系統仿真的方法，對純電動汽車動力系統進行參數匹配及性能仿真分析，能夠提前對設計方案進行模擬評估，簡化了傳統設計的反復驗證過程并降低了研發成本和周期，對新車型的開發與性能提升具有重要的指導意義。

參考文獻：

[1]余志生.汽車理論[M].5版.北京：機械工業出版社，2009.

[2]趙立峰，李云清，何鵬等.純電動大客車動力傳動系統的研究[J].汽車工程，2013，35（8）：683-686.

[3]陳勇，陳全世.城市電動公交大客車驅動 系統的發展[J].交變技術與電力牽引，2003，（6）：31-34.

[4]馬向明，吳森.純電動公交車動力系統參數的設計[J].北京汽車工程，2009（1）：42-46.

[5]朱曰瑩，趙桂范，楊娜，等.電動汽車動力系統參數匹配及優化[J].汽車工程師，2013（4）：29-31.