李勝琴 于博

摘 要：純電動汽車是目前研究和開發(fā)的熱點(diǎn)，而動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)是純電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)。本文針對某款純電動汽車，進(jìn)行動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)。按照整車性能要求，依據(jù)動力學(xué)原理，對車輛電機(jī)、電池、主減速比等動力參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)及匹配計(jì)算，利用AVL CRUISE軟件，建立目標(biāo)車輛的整車模型，并用Simulink搭建制動能量回收模型，結(jié)合NEDC和FTP75兩種典型工況進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的動力傳動系統(tǒng)參數(shù)和制動能量回收控制策略能夠滿足目標(biāo)車輛的性能要求，可以有效提高車輛的動力學(xué)性能，增加車輛的續(xù)駛里程，提高電池的壽命。本文研究內(nèi)容可以為純電動汽車動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制策略的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：純電動汽車;動力系統(tǒng);CRUISE仿真;制動能量回收

中圖分類號：U463.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8023（2019）01-0080-07

Abstract： Pure electric vehicles are the hotspot of current research and development， and the power train parameter matching design is the key technology of pure electric vehicles. In this paper， a power train parameter matching design is applied to a pure electric vehicle. According to the performance requirements of the vehicle and the dynamic principle， the design and matching calculation of the vehicles motor， battery， main reduction ratio and other dynamic parameters are carried out. The AVL CRUISE software is used to establish the vehicle model of the target vehicle， and the braking energy recovery model is built with Simulink. Combined with two typical working conditions， NEDC and FTP75， the joint simulation is carried out. The simulation results show that the power train parameters and braking energy recovery control strategy designed in this paper can meet the performance requirements of the target vehicle， which can effectively improve the dynamic performance of the vehicle， increase the driving range of the vehicle and improve the battery life. The research content of this paper can provide reference for the research of design and control strategy of pure electric vehicle power train.

Keywords： Pure electric vehicle; power train system; CUISE simulation; brake energy recovery

0 引言

隨著能源危機(jī)的加劇，新能源汽車逐漸成為主角，已經(jīng)成為今后的發(fā)展方向。就當(dāng)前汽車行業(yè)的發(fā)展水平來看，新能源汽車主要包括燃料電池汽車、混合動力汽車和純電動汽車。其中純電動汽車零排放的優(yōu)點(diǎn)非常突出，可以有效的緩解保護(hù)環(huán)境的壓力。在純電動汽車的研發(fā)過程中，應(yīng)用AVL公司開發(fā)的CRUISE軟件進(jìn)行動力參數(shù)仿真分析，可以有效地減少研發(fā)周期。

目前，國內(nèi)外大多數(shù)車企在實(shí)際生產(chǎn)之前都進(jìn)行多系統(tǒng)參數(shù)匹配的仿真優(yōu)化分析，并結(jié)合市場以及產(chǎn)品需要，對其動力總成以及整車控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化[1]。杜發(fā)榮等研究純電動汽車匹配的動力系統(tǒng)參數(shù)與整車質(zhì)量之間的關(guān)系以提高整車的續(xù)駛里程[2];E.Hall M 等人以純電動汽車的經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)，通過優(yōu)化單檔減速器的傳動比來提高電機(jī)運(yùn)行效率[3];秦大同等匹配了搭載有兩檔自動變速器的純電動汽車，并以ECE循環(huán)工況整車能耗為優(yōu)化指標(biāo)，優(yōu)化兩擋變速器速比[4];黃康等人以純電動汽車能量利用率作為優(yōu)化目標(biāo)對變速器傳動比進(jìn)行優(yōu)化[5];Liang Chen等人通過研究不同的循環(huán)工況來優(yōu)化電機(jī)參數(shù)，從而提高純電動汽車的經(jīng)濟(jì)性[6]。

本文利用CRUISE軟件構(gòu)建電機(jī)和主減速器的整車模型，選擇循環(huán)工況、全負(fù)荷工況和爬坡性能工況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，通過驅(qū)動系統(tǒng)下的整車性能的仿真結(jié)果，進(jìn)行合理的分析與研究，為純電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)研究和發(fā)展提供參考意見。

1 純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

1.1 純電動汽車基本參數(shù)及設(shè)計(jì)要求

純電動汽車的動力系統(tǒng)主要由電動機(jī)、動力電池、傳動系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)四部分組成。本文所用車輛動力傳動系統(tǒng)布置形式，這種驅(qū)動形式采用固定速比的減速器，通過較少的傳動零件來傳遞轉(zhuǎn)矩，具有良好的互換性，減小了機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的尺寸和重量，而且沒有檔位的切換，可以更好的對驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行控制[7-8]。整車基本性能及設(shè)計(jì)要求見表1。

1.2 驅(qū)動電機(jī)匹配

電機(jī)的功率匹配和選擇主要是對額定功率和峰值功率進(jìn)行選擇。本文從最高車速、最大爬坡度及最大加速度三方面對驅(qū)動電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行確定。其中最高車速由額定功率決定，加速性能和爬坡能力由峰值功率決定[9]。額定功率一般小于峰值功率的1/3。

（1）最高車速下行駛的功率要求

純電動汽車最高車速是指在一段時間內(nèi)電動汽車持續(xù)正常運(yùn)行的最高車速。在最高車速下只需考慮摩擦阻力和空氣阻力，最高車速下電機(jī)的最高功率為：

將純電動汽車的整車參數(shù)帶入公式（1）中，當(dāng)最高車速120 km/h時（ηt=90%），所需的最大功率為23 kW。

（2）最大爬坡能力所決定的功率需求

該純電動車的最大爬坡度的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以大于20 km/h的速度通過30%的坡道道路，而爬坡時需要克服的阻力分別有滾動阻力、爬坡阻力和空氣阻力。其計(jì)算過程為：

式中：Pαmax為克服最大的爬坡度30%所對應(yīng)的功率要求;αmax為坡度，%;Vmin為穩(wěn)定爬坡速度，km/h。

同理將整車參數(shù)及性能指標(biāo)帶入公式（2）中，通過計(jì)算得到，以大于20km/h的速度通過30%的坡道的道路時，需要的電機(jī)功率為27kW。

（3）加速時間所需的功率需求

加速時需要克服的阻力分別包括加速阻力、滾動阻力和坡度阻力。根據(jù)表1的設(shè)計(jì)目標(biāo)，該純電動車從0 km/h加速到80 km/h所需時間小于10 s，從80 km/h加速到120 km/h所需時間小于10 s。需要克服阻力的總效率為：

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可得：

將整車的參數(shù)帶入公式（3）中，得出從0 km/h加速到80 km/h所需的功率為24 kW，從80 km/h加速到120 km/h所需的功率為44 kW。

根據(jù)整車性能設(shè)計(jì)目標(biāo)算出滿足以上動力性要求的電機(jī)功率，則電機(jī)峰值功率取最大值，即：

為了滿足整車性能，同時考慮到純電動車其他電子附件所需要的功率后，取電機(jī)的峰值功率為50 kW 。

（4）電機(jī)額定功率及轉(zhuǎn)速的選擇

電機(jī)額定功率的確定通常依據(jù)峰值功率與電機(jī)的過載系數(shù)的函數(shù)關(guān)系來確定[11-13]，電機(jī)的過載系數(shù)取值范圍1.5 ～ 2，計(jì)算出額定電機(jī)的上下限功率分別是25 kW和33 kW。綜合考慮其他電子附件對功率的需求和電機(jī)廠商的生產(chǎn)能力，本文將額定功率定為35 kW。

電動機(jī)的轉(zhuǎn)速影響著電機(jī)的主要性能，根據(jù)本文純電動汽車的三種動力性能對電機(jī)動率的需求，以及市場生產(chǎn)該功率下相匹配的電機(jī)轉(zhuǎn)速，為了滿足最高車速120 km/h的要求，決定選用? ? ? 6 000 r/min的電動機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。驅(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速n峰和額定轉(zhuǎn)速n額的關(guān)系公式為：

式中：β為電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)（一般取2 ～ 3）[14]。

因此驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速應(yīng)在2 000 ～ 3 000 r/min。根據(jù)實(shí)際驅(qū)動電機(jī)生產(chǎn)的型號，將額定轉(zhuǎn)速確定為3 000 r/min。根據(jù)電機(jī)已知的額定功率和額定轉(zhuǎn)速可以根據(jù)公式（8）求得額定轉(zhuǎn)矩：

將已知參數(shù)帶入公式中（8），求得額定轉(zhuǎn)矩為111 N·m，因?yàn)殡姍C(jī)具有一定的過載能力，由前面提到的過載系數(shù)，可以求得峰值轉(zhuǎn)矩為200 N·m。

根據(jù)上述所求得的參數(shù)，將驅(qū)動電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行匯總，見表2。

1.3 動力電池的參數(shù)匹配

動力電池要滿足電動汽車設(shè)計(jì)的動力性能，在選取動力電池組時應(yīng)考慮其多種參考指標(biāo)，例如：比功率、比能量、能量效率、自放電水平和循環(huán)壽命等，這些參考指標(biāo)都關(guān)系電動汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性[15]。根據(jù)上述對電池特性分析，和對各種類型電池的性能對比綜合考慮，本文選用高效率和良好性價比的鋰離子電池作為動力電池。

動力電池組的電壓要與電機(jī)的電壓需求相匹配，并且要滿足電機(jī)對電壓變化的要求。確定為380 V。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，以60 km/h勻速行駛100 km的續(xù)航里程要求對動力電池參數(shù)進(jìn)行匹配。純電動車勻速行駛時需求的功率為：

1.4 傳動系速比的匹配

純電動汽車汽車的傳動速比關(guān)系到動力性與經(jīng)濟(jì)性，因此傳動速比的選定尤為重要。傳動速比的匹配的主要是變速器和主減速器速比的確定。汽車傳動系速比的選擇受到整車的動力性能的影響，一方面?zhèn)鲃酉邓俦鹊淖钚≈禌Q定權(quán)在于汽車整車的最高車速，另一方面?zhèn)鲃酉邓俦鹊淖畲笾狄彩艿秸嚨淖畲笈榔露鹊挠绊慬16-17]。

1.4.1 最小傳動比的確定

根據(jù)純電動車的驅(qū)動電機(jī)特性和最高車速、最高轉(zhuǎn)速來確定最小傳動比，見公式（14）：

1.4.2 最大傳動比的確定

最大傳動比主要取決于最大爬坡度，因此和最大爬坡度、附著率、汽車最低穩(wěn)定車速等因素有很大關(guān)系。爬坡時的空氣阻力不計(jì)，純電動汽車汽車的最大驅(qū)動力為：

目前純電動汽車產(chǎn)品，特別是小型汽車通常采取固定速比的一檔減速器與主減速器配合，起到減速增距作用，所以本文采用一檔變速器，用最高車速確定主減速器的傳動比為，即為固定速比的主減速器。

2 整車仿真結(jié)果分析

根據(jù)動力傳動系統(tǒng)布置形式以及相關(guān)性能要求，在CRUISE軟件中搭建整車模型?；赟imulink搭建制動能量回收控制策略模型。制動能量回收主要是通過駕駛員發(fā)送的制動踏板和加速踏板的信息，結(jié)合的汽車的電機(jī)電池工作狀態(tài)，當(dāng)滿足制動能量回饋條件時，將能量回收到電池中。

2.1 仿真結(jié)果分析

基于CRUISE中搭建的整車模型，與Simulink中搭建的制動能量回收模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，在多種工況下進(jìn)行模擬仿真。其中仿真結(jié)果見表3，

0 ～ 80 km/h加速過程;80 ～ 120 km/h加速過程。

由上述可知，汽車動力性仿真結(jié)果都滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。在0 ～ 80 km/h加速時間為8.12 s，80 ～ 120km/h加速時間為7.23 s，均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.2 電機(jī)工作情況

驅(qū)動電機(jī)在NEDC和FTP75循環(huán)工況下的工作曲線，紅色代表扭矩，紫色代表轉(zhuǎn)速，黑色代表功率。在 NEDC循環(huán)工況中，電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍在 0 ～ 6 500 rpm之間，扭矩范圍在-45 ～ 110 Nm之間。當(dāng)達(dá)到循環(huán)的最高車速時，電機(jī)功率同時也接近峰值功率，隨后進(jìn)入減速階段，又因SOC值小于0.95，電機(jī)進(jìn)行制動能量回收工作狀態(tài)，此時電機(jī)提供制動扭矩，產(chǎn)生負(fù)功率為電池充電。在 FTP75循環(huán)工況中，電機(jī)大部分工作在1 800 ～ 3 600 rpm的高效轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)。當(dāng)電池SOC 值小于0.95，車輛處于減速階段時，此時電機(jī)提供再生制動扭矩，將能量回收到電池中。

2.3 電池SOC值

SOC值下降速度與車速之間有一定關(guān)系。NEDC工況前半段車速低，SOC值下降較慢;后半段車速升高，SOC值下降速度快[18]。目標(biāo)車輛行駛平順性良好，SOC下降曲線穩(wěn)定，沒有明顯的突變。

在NEDC工況1 030 s之前，SOC沒有出現(xiàn)升高的情況，而在最后階段才上升，這是因?yàn)樵? 130s之前盡管有很多減速停車的工況，但是SOC值大于0.95，沒有達(dá)到電機(jī)再生制動給電池充電的條件，而當(dāng)SOC 小于0.95后，減速停車過程中就可以利用電機(jī)進(jìn)行制動能量回收，因此SOC顯著上升。同樣，在FTP75工況340 s之后，SOC才出現(xiàn)上升波動的情況。但是從整體來看，SOC呈波動下降的趨勢。兩種工況結(jié)束后，SOC值分別為0.814 8和0.863 5。

3 結(jié)論

（1）針對某電動車，依據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，計(jì)算并設(shè)計(jì)了動力傳動系統(tǒng)各參數(shù)。

（2）利用CRUISE及Simulink搭建整車聯(lián)合仿真模型，對所設(shè)計(jì)的動力系統(tǒng)參數(shù)及制動能量回收模型進(jìn)行仿真分析。

（3）仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的動力系統(tǒng)參數(shù)滿足汽車動力性能。對比分析了NEDC和FTP75兩種工況下電機(jī)工作過程與電池SOC變化曲線，所采取的制動能量回收策略能使電池SOC下降速率減小，可以提高車輛續(xù)航里程。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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