電動(dòng)汽車(chē)Cruise模型及其動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性匹配分析

盧浩博，田野

（神華寶日希勒能源有限公司設(shè)備維修中心生產(chǎn)技術(shù)部，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021025）

引言

在未來(lái)技術(shù)進(jìn)步及對(duì)能源與環(huán)境關(guān)注的多驅(qū)動(dòng)下，能源需求和能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大調(diào)整，低碳化和可再生化將成為汽車(chē)發(fā)展的必然趨勢(shì)。發(fā)展新能源汽車(chē)成為緩解石油資源短缺、解決環(huán)境污染問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)的重要手段。電動(dòng)汽車(chē)作為新能源汽車(chē)的主要組成，在全球范圍內(nèi)的普及與推廣已獲得巨大認(rèn)可，并發(fā)展迅速[1]。

AVL Cruise 作為一款非常專(zhuān)業(yè)的汽車(chē)仿真分析軟件，可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能及制動(dòng)性能的模擬分析[2]。該軟件的求解器可準(zhǔn)確求解各種復(fù)雜模型對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，其模塊化的建模理念可以幫助設(shè)計(jì)者快速簡(jiǎn)便地搭建汽車(chē)模型。

本文基于Cruise軟件，對(duì)某電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行匹配分析，其計(jì)算參數(shù)如表1所示。

1 汽車(chē)整車(chē)模型建立

本文所研究的電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)布置空間相對(duì)較小，因此，選用機(jī)電集成驅(qū)動(dòng)布置形式。此布置形式的整個(gè)傳動(dòng)長(zhǎng)度較短，傳動(dòng)裝置體積小，占用空間小，容易布置，可進(jìn)一步降低整車(chē)的質(zhì)量[3]。圖1為搭建好的電動(dòng)SUV汽車(chē)整車(chē)模型。

表1 計(jì)算參數(shù)

圖1 電動(dòng)SUV汽車(chē)整車(chē)模型

2 參數(shù)選擇

2.1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇

本文選擇永磁同步電動(dòng)機(jī)。永磁同步電動(dòng)機(jī)效率高、體積小、質(zhì)量小，調(diào)速范圍寬，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，具有電流沖擊小、電流隨負(fù)載變化小的優(yōu)點(diǎn)，可提高電動(dòng)汽車(chē)的乘坐舒適性[4]。

2.1.1 電動(dòng)機(jī)的額定功率和峰值功率

（1）根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)最高車(chē)速確定電動(dòng)機(jī)功率

電動(dòng)汽車(chē)以最高車(chē)速行駛消耗的功率為：

式中：Umax為最高車(chē)速；m為整備質(zhì)量；g取9.8 km/s2；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為迎風(fēng)阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ηt為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)效率，其取值范圍為ηt≥0.95，此處取0.96。最終Pmax1取值為37.88 kW。

（2）根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)最大爬坡度確定電動(dòng)機(jī)功率

要滿(mǎn)足最大爬坡度需求，汽車(chē)爬坡的一般速度為 40 km/h，以該車(chē)速爬上最大坡度所需功率為：

式中：Up為 40 km/h；αmax=arctan0.3≈16.7°。最終 Pmax2取值為40.28 kW。

（3）根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)加速性能確定電動(dòng)機(jī)功率

設(shè)定從0到100 km/h需用時(shí)14s，具體計(jì)算如下：

①電動(dòng)汽車(chē)從0加速到50 km/h所需功率：

式中：Uj為電動(dòng)汽車(chē)加速后達(dá)到的速度，此處取50 km/h；tj取 6.7s。δ為汽車(chē)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，一般取值為1.1～1.4，此處取1.13。將上述數(shù)據(jù)代入（3）式計(jì)算得其結(jié)果為72.42 kW。

②電動(dòng)汽車(chē)從0加速到100 km/h所需功率：

此時(shí)，Uj取值為100 km/h，tj取11.7s，這兩個(gè)數(shù)據(jù)代入（3）式計(jì)算得其結(jié)果為142.35kW。

電動(dòng)機(jī)額定功率應(yīng)滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)對(duì)最高車(chē)速的要求，峰值功率應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)對(duì)最高車(chē)速、最大爬坡度和加速度的要求。所以電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)機(jī)的額定功率和峰值功率分別為：

電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)機(jī)的峰值功率與額定功率的關(guān)系：

式中，Pemax為電機(jī)的峰值功率；Pe為電動(dòng)機(jī)的額定功率；λ為電動(dòng)機(jī)的過(guò)載系數(shù)，一般取2～3。

考慮到電動(dòng)機(jī)過(guò)載系數(shù)，取電動(dòng)機(jī)額定功率為60 kW，取電動(dòng)機(jī)的峰值功率為180 kW。

2.1.2 電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速在滿(mǎn)足最高車(chē)速要求的前提下不應(yīng)過(guò)高，轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)增加電機(jī)地制造工藝難度，從而增加成本。由于本車(chē)型對(duì)車(chē)速要求較高，所以選用高速電機(jī)。普通高速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為 10000～15000 r/min，最高轉(zhuǎn)速初步設(shè)定為12000 r/min。

式中，β為恒功率區(qū)系數(shù)，取β=2.3；nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速；ne為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。計(jì)算得ne=5217 r/min。

2.1.3 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的匹配

電機(jī)轉(zhuǎn)矩與其功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系如式（8）所示：

式中，Te表示額定轉(zhuǎn)矩，N·m；Pe表示額定功率，kW；ne表示額定轉(zhuǎn)速，r/min。由此算出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定扭矩為109.8 N·m，峰值扭矩為143.25 N·m。峰值扭矩不僅需要滿(mǎn)足車(chē)輛低速加速性能和爬坡能力要求，而且應(yīng)具有一定的后備扭矩，即峰值扭矩應(yīng)大于實(shí)際需求扭矩，初步設(shè)定峰值扭矩為240 N·m。電動(dòng)機(jī)各參數(shù)匹配結(jié)果如表2所示。

表2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配結(jié)果

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)選擇

2.2.1 最大傳動(dòng)比

該參數(shù)取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速、汽車(chē)最高車(chē)速以及驅(qū)動(dòng)輪半徑，計(jì)算公式為：

計(jì)算得imax=7.66。

2.2.2 最小傳動(dòng)比

由最大爬坡度對(duì)應(yīng)的行駛阻力和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩Timax確定傳動(dòng)比。

計(jì)算得imin=3.68。最終選i=5。

2.3 電池參數(shù)選擇

本文選取鎳鈷錳三元鋰電池。該電池壽命長(zhǎng)，節(jié)能環(huán)保無(wú)污染，維護(hù)成本低，充放電徹底，重量輕。該電池電壓為3.6 V，標(biāo)稱(chēng)電壓3.7 V，電池典型工作范圍為3.0～4.2 V或更高。

電池組數(shù)目的選取須滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)行駛時(shí)所需的最大功率和續(xù)航里程的要求[5]。電池的最大輸出功率為：

式中，E為單體電池的電動(dòng)勢(shì)，取鎳鈷錳三元鋰電池的電動(dòng)勢(shì)為3.6 V，R為單體電池內(nèi)阻，取0.005 Ω。將上述數(shù)據(jù)代入式（11）可得其最大輸出功率為0.648 kW。

因此，滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)行駛時(shí)所需的最大功率要求的電池組數(shù)目為：

式中，pemax為電動(dòng)機(jī)的峰值功率（kW），根據(jù)2.1.1的相關(guān)內(nèi)容可知，峰值功率為180 kW；ηe為電動(dòng)機(jī)的工作效率，取94%；ηec為電動(dòng)機(jī)控制器的工作效率，取96%；N為單電池組所包含的電池的數(shù)目，取35。將上述數(shù)據(jù)代入式（12）計(jì)算得到ηp約為9。

滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程要求的電池組數(shù)目為：

式中，L為續(xù)駛里程（km），此處取160 km；Cs為單節(jié)電池的容量；Vs為單節(jié)電壓電動(dòng)勢(shì)，取3.6 V；W為電動(dòng)汽車(chē)行駛1 km所消耗的能量（kW）。

最終確定的電池組數(shù)目為：

電動(dòng)汽車(chē)行駛一公里所消耗的能量為：

式中，Pn為電動(dòng)汽車(chē)以常規(guī)車(chē)速行駛所需的功率（kW），可通過(guò)式（2）計(jì)算得出，為40.28 kW；Pa為電動(dòng)汽車(chē)附件消耗的功率，附件消耗的能量約占電池組總能量的 15%；vn為常規(guī)車(chē)速，取40 km/h。

電池組能量為：

式中，ηmc為電動(dòng)機(jī)效率，取95%；ηdis為電池放電效率，取 93%；ηa為汽車(chē)附件能量消耗比例系數(shù)，取 15%；DOD為電池放電深度，取80%。

最終確定的電動(dòng) SUV汽車(chē)動(dòng)力電池的參數(shù)匹配結(jié)果如表3所示。

表3 動(dòng)力電池參數(shù)匹配結(jié)果

3 仿真結(jié)果與分析

本文在NEDC工況下進(jìn)行電動(dòng)SUV汽車(chē)的模擬仿真分析。NEDC是歐洲的續(xù)航測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)工業(yè)和信息化部在對(duì)純電動(dòng)車(chē)的綜合里程進(jìn)行測(cè)試時(shí)，采用的就是NEDC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力性仿真結(jié)果與分析

3.1.1 最高車(chē)速仿真結(jié)果與分析

圖2為該車(chē)從0到170km/h的加速時(shí)間，可以看出，汽車(chē)最高車(chē)速為168 km/h，超過(guò)了計(jì)算參數(shù)理論值150 km/h。因此，最高車(chē)速符合要求。

圖2 0到170 km/h加速時(shí)間

圖3 50 km/h到80 km/h加速時(shí)間

3.1.2 加速性能仿真結(jié)果與分析

根據(jù)GB/T 28382-2012純電動(dòng)乘用車(chē)中汽車(chē)加速性能實(shí)驗(yàn)要求，加速性能包括0～50km/h和50～80km/h的加速性能，其加速時(shí)間分別不超過(guò)10s和15s。從圖2和表5可以看出，車(chē)速為0～50km/h的加速時(shí)間為4.34s，從圖3和表5可以看出，汽車(chē)50～80km/h的加速時(shí)間為4.22s。因此，加速性能符合要求。

表4 電動(dòng)SUV汽車(chē)車(chē)速仿真主要數(shù)據(jù)

3.1.3 爬坡性能仿真結(jié)果與分析

根據(jù)GB/T 28382-2012純電動(dòng)乘用車(chē)中汽車(chē)爬坡性能實(shí)驗(yàn)要求，爬坡性能包括爬坡速度和車(chē)輛最大爬坡度，即車(chē)輛通過(guò)4%坡度的爬坡車(chē)速不低于60km/h，車(chē)輛通過(guò)12%坡度的爬坡車(chē)速不低于30km/h，車(chē)輛最大爬坡度不低于20%。從圖4中可以看出，爬坡性能仿真結(jié)果符合要求。

圖4 爬坡度仿真結(jié)果

3.2 汽車(chē)整車(chē)經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果與分析

從電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程和能量消耗率進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型分析。能量消耗率可通過(guò)電池SOC值反映。圖5和圖6分別為電動(dòng)SUV汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程和電池SOC值的仿真結(jié)果。從圖5可以看出，電動(dòng) SUV汽車(chē)的續(xù)駛里程接近 180km，遠(yuǎn)超計(jì)算時(shí)所設(shè)定的160 km，因此該電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程符合要求。從圖6可以看出，電動(dòng)汽車(chē)電池的SOC值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)并非急劇下降，而是呈近似線(xiàn)性遞減趨勢(shì)，從側(cè)面也反映出電動(dòng)汽車(chē)能量消耗呈線(xiàn)性遞減趨勢(shì)，遞減斜率大概為0.0047，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

圖5 續(xù)駛里程仿真結(jié)果

圖6 SOC仿真結(jié)果

4 結(jié)論

（1）本文研究的某款電動(dòng)SUV汽車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性參數(shù)匹配如下：汽車(chē)動(dòng)力性指標(biāo)最高車(chē)速為 150km/h，加速時(shí)間 0～50km/h用時(shí) 6.7s，50～80km/h用時(shí) 4.3s，最大爬坡度30%，汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程為160km。

（2）經(jīng)Cruise軟件模擬仿真，該款電動(dòng)SUV汽車(chē)的最高車(chē)速、加速時(shí)間、最大爬坡度以及續(xù)駛里程均符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)驗(yàn)證了仿真模型及動(dòng)力系統(tǒng)理論匹配和經(jīng)濟(jì)性分析方法的合理性。