崔淑華，遲云超

0 引言

純電動汽車的車載動力源為驅(qū)動電機(jī)和動力電池，動力性和經(jīng)濟(jì)性是主要的性能指標(biāo)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(tǒng)關(guān)鍵零部件的參數(shù)進(jìn)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(xù)駛里程，提高汽車的經(jīng)濟(jì)性能。

對純電動汽車的動力單元即驅(qū)動電機(jī)、動力電池等關(guān)鍵部件的選型與參數(shù)計(jì)算,純電動汽車電池、驅(qū)動電機(jī)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(jié)能的重要舉措之一［2］。

AVL CRUISE 軟件可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜車輛動力傳動系統(tǒng)的仿真分析和快速搭建各種復(fù)雜的動力傳動系統(tǒng)模型，并可同時進(jìn)行正向或逆向仿真分析［3-4］。通過建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型并對其實(shí)際工作狀況進(jìn)行仿真分析，能夠很好地預(yù)測各種條件下的系統(tǒng)性能，從而不但可以事先靈活地調(diào)整設(shè)計(jì)方案，合理優(yōu)化參數(shù)，而且可以降低研究費(fèi)用，縮短開發(fā)周期［5-6］。

本文應(yīng)用CRUISE建立整車模型，對研究對象的動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析，從而驗(yàn)證動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的可行性和合理性。

1 動力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

選取某一款對動力性有較高要求的純電動汽車進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。本文所研究的純電動汽車整車主要技術(shù)參數(shù)值見表1。

參考國家純電動車的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［GB/T 19596-2004］，再結(jié)合市場生產(chǎn)要求，提出了本文對純電動汽車設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，見表2。

表2 性能要求Tab.2 Performance requirements

1.1 驅(qū)動電機(jī)的參數(shù)匹配

電動汽車驅(qū)動電機(jī)功率應(yīng)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(dá)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(jù)加速性能確定最大功率。

依據(jù)動力學(xué)方程，其加速過程總功率為

加速末時刻汽車的輸出功率達(dá)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(jìn)行積分求，可表示為

（3）根據(jù)最大爬坡度計(jì)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(shù)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(biāo)要求，該純電動汽車動力系統(tǒng)功率需求應(yīng)滿足：

驅(qū)動電機(jī)的額定功率可根據(jù)峰值功率求得，可根據(jù)公式（3）求出：

電機(jī)的過載系數(shù)一般按λ=1.5～2［8］計(jì)算，本文中λ取2。代入公式（3）則相應(yīng)的電機(jī)的額定功率

根據(jù)計(jì)算結(jié)果和電機(jī)廠商的生產(chǎn)能力，最后確定選擇美國Clean Wave電機(jī),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(jié)合實(shí)際電機(jī)產(chǎn)品類型，選擇驅(qū)動電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為n峰=15 000 r/min。驅(qū)動電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與它的額定轉(zhuǎn)速的比值也稱電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β，一般取2～3［9］，驅(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

這里的β取2，因此驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速應(yīng)在3 750 ～10 000 r/min［8］。結(jié)合目前實(shí)際驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)品型號，額定轉(zhuǎn)速確定為7 500 r/min。

驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩可由電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速與額定功率求得，計(jì)算公式為：

式中：T 為驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，Nm

將參數(shù)帶入公式（5）計(jì)算驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩T額=115 Nm，電機(jī)具有短暫的過載能力，根據(jù)前面提供的過載系數(shù)λ最后確定電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩T峰=215 Nm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)品實(shí)際，確定本設(shè)計(jì)所需驅(qū)動電機(jī)的性能參數(shù)見表3。

表3 驅(qū)動電機(jī)參數(shù)Tab.3 Drives the motor parameters

1.2 動力電池參數(shù)匹配

動力電池組電壓級別與電機(jī)工作電壓相匹配，確定為380 V。其次，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，以60 km/h勻速行駛230 km為達(dá)到續(xù)航里程的要求對動力電池參數(shù)進(jìn)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(jì)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(shù)代入上述公式得W=29.85 kwh。

式中：essW為電池組實(shí)際釋放能量；socξ為電池組有效放電容量系數(shù)，一般取0.8，計(jì)算得essW=37.31 kwh。

根據(jù)電池總能量可以求出電池容量，計(jì)算公式：

式中：U 為電池組工作電壓；C為電池組的容量。計(jì)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(jù)廠家現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格參數(shù)，確定仿真車型的動力電池參數(shù)見表4。

表4 動力電池參數(shù)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(jīng)濟(jì)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(qū)動電機(jī)特性及轉(zhuǎn)速、驅(qū)動力、車速的關(guān)系，以最高車速和電機(jī)最高轉(zhuǎn)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(wěn)定車速。當(dāng)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(qū)動力應(yīng)為：

即

將整車參數(shù)代入公式（10）、（11）計(jì)算得：imax≤ 1 1.62，imin≥ 9 .81。結(jié)合制造商條件和實(shí)際產(chǎn)品的規(guī)格，確定總傳動比=11.32。

目前純電動汽車產(chǎn)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(jī)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(biāo)。

根據(jù)車速與傳動比關(guān)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(yīng)用CRUISE軟件對汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、制動性以及排放性能進(jìn)行仿真分析，建立的整車模型如圖1所示，關(guān)鍵部件仿真設(shè)置參數(shù)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(jié)果分析

2.2.1 經(jīng)濟(jì)性仿真分析

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

圖2 （NEDC）循環(huán)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(huán)工況仿真結(jié)果Fig.3 (NEDC) simulation results of cycle conditions

兩個循環(huán)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(wù)中設(shè)置電池的SOC從90%為起始。兩個循環(huán)工況均順利完成，通過整個循環(huán)工況汽車行駛的總距離來觀察整車?yán)m(xù)航里程，各循環(huán)工況仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 60 km/h等速工況循環(huán)仿真結(jié)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(jī)外特性可知，基速之前電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩工作，并且以最大轉(zhuǎn)矩輸出；基速之后電機(jī)恒功率工作，平緩達(dá)到最大有效功率。根據(jù)所選驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，預(yù)設(shè)達(dá)到最大的動力性結(jié)果，通過cruise軟件仿真result報(bào)告可知，該車輛在全負(fù)荷加速任務(wù)下，起步加速至100 km/h所用時間為7.39 s。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 百公里加速Fig.5 100 km acceleration

（2）最高車速仿真分析。CRUISE仿真結(jié)果如圖6所示。得到車輛的最高車速為180 km/h，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖6 最高車速仿真結(jié)果Fig.6 Top speed simulation results

（3）最大爬坡度仿真分析。根據(jù)國家電動車試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［GB/T 19596-2004］，爬坡試驗(yàn)整個仿真過程中曲線變化平緩無明顯波動。仿真結(jié)果如圖7所示。

2.2.3 整車仿真結(jié)果與目標(biāo)參數(shù)對比分析

通過AVL CRUISE 軟件建立模型，進(jìn)行仿真行駛并得到仿真結(jié)果，與目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行對比分析，仿真結(jié)果均以超過設(shè)定目標(biāo)參數(shù)值。

圖7 爬坡度仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of gradient

表5 整車仿真結(jié)果與目標(biāo)車型參數(shù)對比表Tab.5 Comparison table of vehicle simulation results and preset target parameters

3 結(jié)論

本文以某純電動車的動力需求為目標(biāo)，完成了動力系統(tǒng)參數(shù)的匹配計(jì)算，應(yīng)用 CRUISE 軟件建立整車模型，進(jìn)行了循環(huán)工況、百公里加速時間、最高車速以及最大爬坡度的仿真分析。通過將仿真結(jié)果與目標(biāo)值對比分析，驗(yàn)證匹配方案的合理性與可靠性。

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