基于CRUISE的純電動汽車系統設計與仿真研究

摘 要：根據整車性能指標，分析電橋、電機、減速器、電池等關鍵部件的設計需求，利用CRUISE仿真軟件，建立系統結構和控制模型，采用矩陣輸入方法，完成速比的匹配優化、電池電量的確定、電機的驗證，仿真結果表明，動力系統的選型匹配對整車動力性和經濟性影響很大，同時該研究可以指導純電動汽車的系統開發。

關鍵詞：純電動汽車;電橋參數匹配;速比優化

0 引言

近十年新能源汽車產業取得了飛速發展，越來越多的純電動汽車產品走向個人市場，純電動汽車的行駛環境也越來越復雜，如何開發一款高效節能的純電動汽車，不論在常溫還是高低溫環境中，都能表現出良好的動力性能與續駛里程，顯得尤為重要。驅動系統是純電動汽車的核心部件，合理的動力系統參數匹配能夠最大程度地提高純電動汽車的動力性和能耗經濟性[1]。

1 系統方案設計

1.1 動力系統結構

高壓動力電池作為電動汽車唯一的動力源，通過電機及控制器將電能轉化為機械能來驅動整車。目前普通開發的動力電池類型為鋰電池，擁有高能量密度和高功率密度，電動機應用廣泛的是永磁同步電機和交流異步電機，本文選用的是三元鋰電池和永磁同步電機、單速比變速系統構成的電動汽車動力系統。當汽車起步加速和正常行駛時，電池給電機供電驅動車輪，當汽車滑行或制動時，電機作為發電機給動力電池充電，從而實現能量回收。

1.2 整車目標及關鍵參數

1.3 電橋參數確定

隨著電驅動技術的發展，三合一產品越來越多，集成度高，效率高，本文首先確定電橋的基本參數，有更多的組合方案可供選擇和選取最優方案。

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確定[2]，此時電橋的輸出功率為：

式中：—電橋的額定功率，kW;M—為滿載質量;f—為輪胎滾動阻力系數;—為風阻系數;A—為迎風面積，;—為最高車速，km/h;

同時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，額定扭矩要滿足：

綜合最高車速和爬坡性能的兩條指標，經計算，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

電機的峰值功率一般出現在最大爬坡度和全油門加速時，其中滿足最大爬坡時，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，滿足加速時間指標，此時電橋的需求功率為：

式中：—為旋轉質量換算系數;—為加速目標車速，km/h;—為加速時間，s。

由于要同時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為：

代入最大爬坡度25%，爬坡車速20km/h以及0-50km/h加速時間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 電橋最高轉速

依據汽車理論，車速與轉速的關系，可得電橋的最高轉速為：

式中：—為電橋最高車速，r/min;—為設計的最高車速，km/h。

代入最高車速100km/h，考慮余量之后，電橋的最高轉速至少應為：960r/min。

綜上計算結果，永磁同步電機的電橋主要參數：額定功率13.5kW，額定扭矩555Nm，峰值功率31kW，峰值扭矩1008Nm，電橋最高轉速960r/min。

2 基于CRUISE的建模及優化仿真

AVL開發的CRUISE軟件主要是研究整車動力性、經濟性、排放性能及制動性能的軟件，其模塊化的建模理念，可以便捷地搭建不同布置結構的車輛模型，本文主要借助CRUISE軟件進行動力性與經濟性仿真研究。

2.1 建模

圖1為在CRUISE里面搭建的純電動單速比驅動架構模型，驅動形式為前置前驅。

2.2 電橋分解及速比優化

本文研究的是采用固定速比減速器的傳動系統，對于符合電橋需求的產品進行篩選和優化[3]，在速比7.9-9之間，利用CRUISE的矩陣式計算，進行基于經濟性的速比優化分析。本研究選擇的是歐洲的駕駛循環工況NEDC和中國乘用車工況CLTC-P作為循環行駛工況，計算兩種工況下的續駛里程。經過矩陣式分析可知，在傳動比8.15-8.35之間，擁有較長的續駛里程，電驅動效率較高，同時也保證較好的動力性能，最后以此速比范圍進行產品選型開發。

2.3 動力電池電量確定

續駛里程是純電動汽車開發的一項重要指標，本文的里程設計指標主要是NEDC工況，目標直接決定了動力電池電量的選取，通常以wh來表示能量源的能量EC的單位，能量的消耗就是循環工況中電池放電功率對時間的積分，電池放電功率就是電池當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—放電時間（s）。

3 結論

根據驅動系統仿真模型的技術參數需求，最終選取的三合一電驅產品額定/峰值功率（15/35kW），額定/峰值扭矩（530/965Nm），電池可用放電量（27kWh），關鍵性能分析結果：最高車速（105km/h）;0-50km/h加速時間（5.39s）;最大爬坡度（28%）;NEDC續駛里程（309km）;通過仿真分析，整車的動力性能與經濟性都滿足目標要求，給出電橋總成的需求，可以更加靈活地選擇電驅動產品，速比的優化，使得經濟性與動力性達到了平衡。本文提出了良好的建模與優化控制方法，使得動力電池、電機以及傳動裝置達到最佳的匹配關系，同時也可以節約整車開發成本，為指導整車產品開發提供重要的支撐。

參考文獻：

[1]徐東.基于蟻群算法的純電動汽車動力參數優化研究[D].西安：長安大學汽車學院，2015.

[2]余志生.汽車理論[M].5版，北京：機械工業出版，2009.

[3]張奇，符曉玲，李珂，等.純電動汽車動力系統匹配優化與再生制動策略[D].山東，山東大學控制科學與工程學院.

作者簡介：梁新燕（1984-），女，河南衛輝人，本科，主管工程師，主要研究方向：新能源汽車動力系統匹配分析與動力性經濟性性能開發。