基于CRUISE的純電動轎車性能仿真與試驗研究*

岳鳳來，張俊紅，周能輝，鄭廣州

(1.天津大學(xué)，內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072; 2.天津清源電動車輛有限責(zé)任公司，天津 300457)

前言

在給定的電池條件下，對電動汽車動力系統(tǒng)各部件進行合理選擇，提高電動汽車的動力性能，增加續(xù)駛里程，是電動汽車研發(fā)機構(gòu)的共同目標［1］。

AVL CRUISE軟件可以實現(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，并可同時進行正向或逆向仿真分析［2－3］。本文中應(yīng)用CRUISE軟件建立了電動汽車動力系統(tǒng)模型，并用此軟件對其動力性能進行了仿真分析，為動力系統(tǒng)選配提供參考。

1 純電動汽車動力學(xué)模型

電動汽車主要性能參數(shù)包括:最高車速、加速時間、最大爬坡度和續(xù)駛里程。

電動汽車直線行駛時，其動力學(xué)方程為

式中各個常用的系數(shù)定義可參考文獻［4］。

本文中基于一款傳統(tǒng)汽油車，原車整備質(zhì)量和電動汽車設(shè)計目標見表1。

表1 原車參數(shù)及電動汽車設(shè)計目標

2 電機性能需求

電機的功能是替代傳統(tǒng)發(fā)動機，為整車提供動力來源。在平坦路面行駛時，電機的動力用來克服汽車行駛阻力，主要為滾動阻力和空氣阻力。在某一車速下電機的功率需求(忽略坡道和加速阻力)為

式中:Pe為電機功率，kW;ηT為從電機到車輪的機械傳動效率;m為整車質(zhì)量，kg;f為滾動阻力系數(shù);ua為車速，km/h;CD為風(fēng)阻系數(shù);A為迎風(fēng)面積，m2。

在某一車速下電機的轉(zhuǎn)矩需求(忽略坡道和加速阻力)為

式中:Ttq為電機轉(zhuǎn)矩，N·m;r為車輪滾動半徑，mm;ig為變速器減速比;i0為主減速器減速比。

依據(jù)以上原則，初步選定一套額定功率為20kW、最大功率為50kW的電機系統(tǒng)，其外特性曲線和電機系統(tǒng)效率如圖1和圖2所示。

3 動力電池匹配

電池參數(shù)的確定主要考慮到最大輸出功率和電池能量，以保證電動汽車的動力性能與續(xù)駛里程。目前作為純電動汽車的動力電池主要有鉛酸、鎳鎘、鎳氫、鋰離子和燃料電池等。目前電池放電電流和放電時間的計算主要采用Peukert方程［5］，即

式中:I為電流，A;T為放電時間，h;C為電池容量，A·h;n為與蓄電池結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。

本文中，初步選擇3.6V、80A·h的鋰離子動力電池，電池組采用 84只單體串聯(lián)，組成 302V、80A·h動力電池組。

4 基于CRUISE的整車仿真模型的建立與仿真

4.1 建立CRUISE的整車仿真模型

根據(jù)上述各主要部件模型建立整車仿真模型，確定各部件具體仿真參數(shù)，如:機械部件的質(zhì)量與效率，電器部件的質(zhì)量與功率等。整車傳動系統(tǒng)仿真參數(shù)如表2所示。

表2 純電動汽車傳動系統(tǒng)仿真參數(shù)

對各個動力系統(tǒng)進行建模以后，可得CRUISE整車仿真模型，如圖3所示。

4.2 仿真

本仿真的主要目的驗證初步選定的各部件參數(shù)是否滿足車輛設(shè)計要求，并希望得到較為準確的動力性能值和續(xù)駛里程。按照CRUISE仿真流程，主要內(nèi)容為:(1)各擋位最高車速計算;(2)各擋位整車加速性能計算;(3)各擋位爬坡性能計算;(4)各擋位勻速行駛續(xù)駛里程計算。

5 仿真計算與試驗結(jié)果分析

仿真邊界條件:電池初始 SOC為90%，終止SOC為10%。仿真加載質(zhì)量等邊界條件遵循GB/T18386—2005《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》。

5.1 不同擋位下整車各項性能分析

通過CRUISE仿真計算，得到不同擋位下整車各項性能，見表3。

表3 不同擋位下整車性能仿真結(jié)果

從表3中可以得到整車的動力性能、爬坡性能和不同車速下勻速行駛續(xù)駛里程。按照該車設(shè)計目標，對整車匹配方案進行選擇，綜合考慮以上因素，固定2擋具有較好的加速性能和爬坡性能，且具有較長的續(xù)駛里程，最終選擇2擋作為固定速比。

5.2 電動車仿真與試驗結(jié)果對比

在固定2擋速比下，對整車各項性能進行分析，并與試驗結(jié)果進行對比，各性能參數(shù)見表4，不同車速對應(yīng)電機轉(zhuǎn)速見表5。

表4 純電動汽車性能仿真與試驗結(jié)果對比

表5 不同車速對應(yīng)電機轉(zhuǎn)速

圖4為不同擋位、不同車速勻速行駛續(xù)駛里程仿真結(jié)果，圖5為固定2擋條件下，電動車滿載時各車速的爬坡性能仿真曲線，圖6為固定2擋條件下，整車加速性能仿真曲線。

由仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比可知，該純電動轎車的續(xù)駛里程、最高車速、加速性能和爬坡性能等動力性能滿足設(shè)計目標，該匹配方案合理。動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的參數(shù)選擇滿足設(shè)計要求，仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果誤差小于5%，仿真結(jié)果合理可靠。

從仿真結(jié)果還可得出，車速在30km/h勻速行駛時可得到最長續(xù)駛里程，該車速為最經(jīng)濟時速。

6 結(jié)論

(1)應(yīng)用AVL CRUISE仿真軟件，進行了某純電動汽車動力系統(tǒng)的建模與仿真分析，能夠有效地對純電動汽車的性能進行預(yù)測，為純電動汽車的研究開發(fā)提供可靠的依據(jù)。

(2)純電動汽車的性能仿真，為動力系統(tǒng)選擇與匹配提供了參考，仿真計算與試驗結(jié)果誤差較小，仿真結(jié)果合理可靠。所選動力總成部件與整車匹配后能夠滿足純電動轎車動力性能的要求。

［1］姬芬竹，高峰，周榮.電動汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計和續(xù)駛里程研究［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2003，25(3):426 －428.

［2］AVL Cruise Version 3.0 User's Guide［G］.AVL LIST GmbH，2005.

［3］劉振軍，趙海峰，秦大同.基于CRUISE的動力傳動系統(tǒng)建模與仿真分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，28(11):8 －11.

［4］余志生.汽車理論［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［5］Dkarimi M，Mokhtari H，Iravani M R.Wavelet Based On-line Disturbance Detection for Power Quality Application［J］.Power Delivery，2000，15(14):1212－1220.