某型純電動汽車動力系統匹配及優化研究

楊年炯，宋英杰，肖 旺

（1.廣西科技大學 機械與汽車工程學院，廣西 柳州 545006； 2.廣西淞森車用部件有限公司，廣西 柳州 545616）

純電動汽車以其零污染、結構簡單、低噪聲等優點［1］，受到各國政府及汽車企業的重視，成為新能源汽車發展的一個重要方向。但純電動汽車技術仍不夠成熟，其電池能量密度低、續駛里程短，使整車性能提升受到限制。為提高純電動汽車動力性和經濟性，合理匹配和優化純電動汽車的動力系統參數顯得尤為重要。

近年來，國內外諸多學者對電動汽車動力參數的匹配及優化展開了研究。戴廣金［2］根據電動汽車的性能指標，匹配動力系統的參數，并通過Cruise 進行建模和仿真，為純電動汽車的研究提供了參考。俞宴明等［3］根據某款純電動汽車的動力系統做出匹配，通過Cruise 軟件建立模型，并進行仿真驗證參數匹配的合理性。利用粒子群算法對傳動比進行優化，提高了0~100 km/h 加速性能和爬坡度。焦琨峰［4］對動力系統進行匹配計算，對純電動汽車動力性和經濟性進行建模和仿真，并通過遺傳算法對動力參數進行優化，提高了純電動汽車的動力性和經濟性。王招君［5］以動力性為目標，通過NSGA-II 算法對純電動汽車的傳動比進行優化分析。以上學者的研究，為純電動汽車動力參數匹配研究提供了基礎。

本文針對某型純電動汽車進行仿真及優化，以汽車的動力性作為約束條件，以中國輕型汽車行駛工況（China light-duty vehicle test cycle，CLTC）工況的續航里程和電耗作為優化目標，通過正交試驗方法，建立多目標優化模型，通過Cruise 軟件中內置的矩陣計算（matrix calculation，MA）功能進行仿真，優化整車經濟性能和動力性能。通過實車試驗，驗證了仿真的合理性和正確性。

1 純電動汽車的基本參數和性能指標

1.1 純電動汽車的基本參數

以某型純電動汽車為研究對象，詳細參數見表1。

表1 整車基本參數Tab.1 Basic parameters

1.2 純電動汽車的性能指標

根據相關標準對電動汽車的技術要求，結合電動汽車的使用定位，確定該型電動汽車的性能指標，見表2。

表2 純電動汽車的性能指標Tab.2 Performance index of pure electric vehicle

2 動力系統參數匹配

2.1 驅動電機參數匹配

電動汽車的核心部件“三電”即電池、電機和電控系統。電機將電能轉化成動能驅動汽車運動；動力性是電動汽車基本性能；動力性評價指標為最高車速、加速時間和最大爬坡度。

電機的最高功率需滿足各工況下的功率要求，即電機的最大功率Pmax滿足最高車速、最大爬坡度和0~100 km/h加速時間的功率要求，其表達式如下：

式中：P1為以最高速度確定的最大功率；P2為以最大爬坡度確定的最大功率；P3為滿足加速性能的最大功率。

經計算可知，三者中，滿足加速性能的最大功率最高，P3≥93.18 kW，同時考慮空調及其他輔助元件的功率消耗，選取最大功率Pmax=100 kW。

2.2 電池組容量選擇

電池組的容量對電動汽車的經濟性有直接影響，放電功率對電動汽車的動力性能有間接影響。電池組的容量需滿足行駛里程的能量Qb1和電池串并聯所形成的總電量Qb2，表達式如下：

式中：LCLTC為續航里程；W為每百公里消耗的電量；ξ為放電深度；Cb為電池包容量；np為電池并聯數；ns為電池串聯數。

2.3 傳動比設計

文中采用固定傳動比傳動，當驅動電機的相關參數確定后，傳動比的設計與汽車的動力性相關。傳動比的設計要滿足最高車速和最大爬坡度要求。

（1） 根據電機的最高轉速和汽車最高車速確定傳動比為

式中：nmax為電機最大轉速，r/min；uamax為最高車速，km/h。

（2） 根據驅動電機的最大扭矩和最大爬坡度確定傳動比

式中：m為質量，kg；r為車輪半徑，m；f為滾動阻力系數；αmax為最大爬坡度角度，（°）；Tmax為最高轉矩，N?m；ηT為傳動系統效率。

2.4 參數匹配結果

電動汽車動力傳動系統參數匹配的結果見表3。

表3 電動汽車動力傳動系統匹配參數Tab.3 Matching parameters of electric vehicle powertrain

3 純電動汽車的建模和仿真分析

3.1 整車模型

采用AVL-Cruise 仿真軟件進行建模、仿真，驗證整車性能是否達到既定的性能指標。文中選擇CLTC循環工況對電動汽車的動力性和經濟性進行仿真，CLTC 工況比新標歐洲循環測試（new European driving cycle，NEDC）工況更符合中國駕駛員所遇情況。搭建的模型如圖1 所示，CLTC工況如圖2所示。

圖1 整車模型Fig.1 Vehicle model

圖2 CLTC工況車速跟隨曲線Fig.2 Speed following curve at CLTC

3.2 仿真結果分析

3.2.1 最大爬坡度分析

文中電動汽車的最大爬坡度為41.62%，滿足設計要求，如圖3 所示。由圖3 可知，隨著車速的增加，爬坡度逐漸減小。

圖3 最大爬坡度Fig.3 Maximum gradeability

3.2.2 最高車速分析

該車最高車速可達到175 km/h，如圖4 所示，超過設計要求的150 km/h，達到了設計目標。

圖4 最高車速Fig.4 Maximum speed

3.2.3 續航里程結果分析

該車以CLTC 工況行駛的電池荷電狀態（state of charge，SOC）變化曲線如圖5 所示。由圖5 可知，電池的有效容量為95%，根據Cruise 軟件的仿真結果，SOC為5%時，續航里程為388 km。

圖5 續航里程與SOC值的變化關系Fig.5 Relationship between endurance mileage and SOC

3.2.4 加速工況分析

加速過程見表4，根據Cruise 軟件的仿真結果，該車0~50 km/h 加速時間為3.91 s，加速距離為26.38 m，滿足設計目標；0~100 km/h 的加速時間為9.58 s，加速距離為150.29 m，加速時間沒有滿足預期，需對其進行優化。

表4 加速時間和距離Tab.4 Acceleration time and distance

分析上述仿真結果可知，仿真結果基本滿足設計目標，證明動力系統參數匹配和設計的合理性。但0~100 km/h 的加速時間為9.58 s，未滿足設計目標，且在CLTC 工況下續航里程為388 km，如遇雨雪天等極端天氣，續航里程將大幅降低。因此，需優化該電動汽車的動力系統參數，以提升整車性能。

4 動力系統優化

4.1 正交試驗參數設計

正交試驗是研究多因素水平的一種設計方法。正交試驗設計是根據正交性從全面的實驗方案中選出一部分有代表性的方案進行試驗，這些有代表性的水平組合具有均勻分布的特點，進而從中選出最優的方案。在對電動車進行設計時，需計算較多的參數和變量，而變量的取值對電動車的動力性和經濟性有較大的影響。經初步計算確定一些參數后，需進一步確定變量的最優值來合理匹配動力系統的參數，可以進行多目標優化實現經濟性和動力性的最優值，得到一組最合理的參數。在進行動力參數匹配及優化分析時，文中采用MA 進行計算分析，仿真所有結果，并選出最優的組合。

4.1.1 多目標優化函數數學模型

該純電動汽車動力參數匹配及優化，其設計思路是以驅動電機的最高轉速、電池容量和主減速器傳動比作為正交試驗的試驗因素，以動力性指標作為約束條件，使經濟性能達到最優。

目前，解決多目標優化問題的途徑通常是將多目標問題轉化為單一的優化問題，然后通過數學方法求解。基本方法是建立分目標評價體系，利用線性加權法、乘除法等方法，建立多目標優化數學模型。

4.1.2 正交試驗因素及水平選擇

在進行純電動汽車參數匹配和優化過程中，根據設計經驗和理論公式，確定對電動汽車動力性和經濟性影響較大的因素為驅動電機的最高轉速、電池容量和主減速器傳動比。各因素及水平見表5。

表5 動力系統參數Tab.5 Parameter of power system

4.2 正交試驗結果分析

循環工況仿真的里程數和0~100 km/h加速時間須滿足性能標準。將MA 結果代入多目標函數公式中，經計算得到多目標函數值，部分組合不滿足動力性能指標（0~100 km/h加速時間小于9.5 s）或經濟性能指標（CLTC 循環工況續航里程不小于388 km）。經篩選，有8 套匹配方案滿足性能要求，見表6。

表6 多目標優化函數值Tab.6 Multi-objective optimization function value

由表6 可知，序號8 的多目標函數值最大，因此最終優化方案為電機轉速15 000 r/min，主減速器傳動比10.3，電池容量160 Ah。根據仿真結果，該電動汽車最大續航里程由優化前的388.6 km提升至426.5 km，滿足經濟性設計指標。0~100 km/h 加速時間由優化前的9.58 s 減少至9.03 s，減少0.55 s，滿足動力性設計指標。最高車速由優化前的175 km/h 降低至170 km/h，滿足設計目標。整車優化后0~100 km/h 加速時間對比如圖6 所示。

圖6 優化前后加速時間對比Fig.6 Comparison of acceleration time before and after optimization

5 實車試驗

5.1 試驗條件

為了驗證仿真的正確性，對設計的純電動汽車進行實車試驗。試驗條件如下，試驗路況：平整干燥的路面；環境溫度：14 ℃；大氣壓力：101 kPa；風速：1.4 m/s。

5.2 試驗結果

在符合試驗條件的前提下，按照電動汽車測試標準將載重加至試驗的重量，盡可能將重量均勻分布在電車上。進行動力性試驗時，用VN1630A（VECTOR公司開發的CAN總線測試工具）連接試驗車輛與電腦，開展試驗并記錄數據，如圖7所示。

圖7 實車試驗Fig.7 Real vehicle test

在上海檢測中心的轉轂上開展試驗車輛的CLTC循環工況能量消耗試驗，根據《電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》（GB/T 18386—2017）進行試驗。測試表明，該款電動汽車的續航里程為426 km，完全滿足設計指標。動力性和經濟性的試驗結果見表7。

表7 試驗結果和仿真結果對比Tab.7 Comparison of test results and simulation results

由表7可知，電動汽車動力性和經濟性的試驗值與仿真值基本一致，造成兩者存在偏差的原因可能是大氣壓力、路面實際環境有所不同，以及駕駛員駕駛習慣不同。動力性試驗中最高車速比仿真值要低，但誤差小于5%，認為建立的仿真模型是可行的。綜上所述，根據對車輛試驗數據和仿真數據的對比，驗證了該電動汽車參數匹配以及優化的可靠性。

6 結論

文中依據某型純電動汽車的性能指標設計要求，進行動力系統的參數匹配，用Cruise軟件進行建模并進行動力性和經濟性仿真。采用正交試驗方法進行優化，使電動汽車動力性和經濟性有一定程度的提升，達到優化的目的。對樣車進行實車試驗，驗證了文中建立的模型、仿真以及優化的準確性和有效性。