基于Cruise的純電動汽車匹配仿真分析

左澤華 左娟

（1.河北工業大學；2.解放軍信息工程大學）

隨著環境污染和能源匱乏的加劇，純電動汽車作為一種交通工具，已經漸漸進入人們的日常生活中。純電動汽車具有噪聲低、排放污染低及能源轉換率高等優點，加上政府的各種鼓勵政策，純電動汽車受到各大汽車廠商的重視。以往電動汽車的動力性和經濟性的評價都是由實車在測試道路或臺架試驗得到，但是電機和動力系統匹配方案和各主要零部件的參數變化多樣，若每個方案都進行實車測試，不僅增加成本，而且延長研發周期。因此，在汽車理論和結構計算的基礎上，利用AVL-Cruise仿真軟件對電動汽車的主要零部件進行建模，對相應的路況進行模擬仿真，從而驗證及分析出最佳方案。

1 純電動汽車的整車模型及性能目標

1.1 純電動汽車動力系統的基本模型

由于是在傳統車的基礎上進行研發，所以主要對純電動汽車的動力性進行匹配仿真和驗證，而純電動汽車的動力性主要是由動力總成系統來決定。其動力系統主要由電動機、電池、變速器、主減速器、差速器及車輪等[1]組成，如圖1所示。

圖1 純電動汽車整車動力系統模型圖

1.2 性能指標

純電動汽車的性能主要研究動力性和經濟性，動力性主要包括最高車速、最大爬坡度及加速時間等；經濟性主要研究純電動汽車的續航里程。文章中將驅動電機的性能參數、傳動系的性能參數及動力電池的參數等作為此款純電動汽車動力傳動系統參數的匹配。為了設計出符合性能要求的電動汽車，必須通過整車性能要求對汽車的動力系統進行匹配計算。表1示出純電動汽車基本參數，表2示出純電動汽車設計性能目標。

表1 純電動汽車基本參數

表2 純電動汽車設計性能目標

2 動力系統正向匹配計算

2.1 電機功率（PM）及電機轉速（NM）

根據瞬時最高車速和30 min最高車速（試驗質量1 030 kg）[2]計算 PM和 NM，如式（1）和式（2）所示。

式中：ηT——傳動效率，%；

f——滾動阻力系數；

CD——風阻系數；

A——迎風面積，m2；

vmax——瞬間最高車速和30 min最高車速，km/h；

G——電動汽車試驗重力，N；

PM——電機功率，kW；

i0——主減速比；

NM——電機轉速，r/min；

r——輪胎滾動半徑，m。

將純電動汽車基本參數代入式（1）和式（2），得：PM=18 kW，NM=7 110 r/min。

同理，由式（1）和式（2）得出 30 min最高車速對應的PM和NM分別為14 kW和6 464 r/min。

2.2 最大爬坡度

根據滿載爬坡度要求（20%，車速為10 km/h，滿載質量為 1 050 kg）計算 PM及電機扭矩（TM/N·m），如式（3）和式（4）所示。

式中：i——爬坡度，%；

v——車速，km/h；

i0——爬坡主減速比。

將純電動汽車基本參數代入式（3）和式（4），得PM=61 kW，TM=91 N·m。

同理，爬坡度為4%（車速為60 km/h，滿載質量為1 050 kg）時，計算PM和TM分別為11 kW和28 N·m；爬坡度為12%（車速為30 km/h，滿載質量為1 050 kg）時，計算PM及TM分別為12 kW和58 N·m。

2.3 NEDC工況

由于該車為純電動汽車，續航里程和動力方面有限，故采用新歐洲行駛工況NEDC（NewEuropean Driving Cycle）。該工況定位為城市工況，基本符合純電動汽車的行駛工況，如圖2所示。根據NEDC工況及整車參數，通過軟件進行計算，得出圖3所示的整個工況下對應的電機需求功率，可見要求的電機功率需大于33kW。

圖2 純電動汽車NEDC工況圖

圖3 純電動汽車NEDC工況需求電機功率

3 電機和電池選型

3.1 電機選型[3]

3.1.1 確定轉速范圍

選擇目前被廣泛應用于電動汽車驅動的永磁同步電機作為動力源，電機的最高轉速應能滿足最高車速的要求，由式（1）和式（2）可知，對于vmax（30 min）=100 km/h（其中瞬時vmax=110 km/h），相應電機峰值轉速需大于7 110 r/min，初選峰值轉速為8 000 r/min。一般永磁同步電機擴大恒功率系數（即最大轉速與基速之比）在2～3之間，根據廠商提供數據，取2.8計算，因此電機基速為2 857 r/min。

3.1.2 確定峰值扭矩

電機的峰值扭矩應至少能滿足爬坡需求，因此需大于91 N·m。

3.1.3 峰值功率和額定功率的確認

電機的峰值功率需至少滿足NEDC工況的需求和爬坡需求，根據以上的計算結果，NEDC工況對峰值功率需要大于33 kW。

電機的額定功率需滿足30 min最高車速要求，對應的額定功率應大于14 kW，而根據經驗，電機的過載系數約為1.3～2（峰值功率與額定功率之比，取1.4估計），則峰值功率應大于19.6 kW。

電機在基速轉速時可達到峰值功率，按照峰值扭矩為91 N·m，基速轉速為2 857 r/min，計算電機峰值（P/kW）:

式中：T——峰值扭矩，N·m；

n——基速轉速，r/min。

依據約束條件的計算結果，按照取大原則，根據經驗初步選取的電機參數，如表3所示。

表3 初選電動汽車電機參數

3.2 電池的選型

根據廠商提供數據，初選電池參數，如表4所示。

表4 初選電動汽車電池參數

4 動力系統匹配方案驗證分析

這里所用到的是目前應用于各大汽車公司的AVL-Cruise仿真軟件，它是計算和優化電動汽車動力性和經濟性的綜合工具，適用于設計仿真任何傳動系結構的電動汽車，能夠直觀的模塊化組件，真實的再現實車性能，由于其電動汽車模型的搭建過程簡捷易懂，能在短時間內改變電動汽車的結構布置形式，實現電動汽車性能的最優化，從而減少了電動汽車的開發周期[4]。

4.1 AVL-Cruise模型的建立

根據整車結構模型，在軟件中建立模型，用戶可以從已有的模型中選擇需要的模型，將電動汽車、電池、變速箱、差速器及駕駛艙等模塊拖入軟件的工作區中，再根據零部件之間的關系，對模塊進行機械或電氣連接，如圖4所示，然后根據各個模塊的參數進行設置，最后運行仿真任務。

4.2 AVL-Cruise運行流程

1）根據整車的構成，添加所需的模塊，如電機、變速器、減速器、制動器及車輪等零部件模塊；2）根據各個零部件相應的參數對模塊的參數進行設置；3）利用整車各零部件的動力及信號的傳遞關系對部件進行物理和電氣連接；4）根據研究需要，設置相應的計算任務，如最高車速、最大爬坡度、加速時間及續航里程等[5]。

4.3 AVL-Cruise的仿真分析驗證

4.3.1 最高車速驗證

最高車速驗證主要觀察隨著車速的不斷提高，電動汽車是否還有剩余牽引力，從而能始終帶動電動汽車前行。如圖5所示，車速在0～112 km/h，始終都有剩余牽引力，說明整車最高車速為112 km/h。4.3.2 爬坡性能驗證

圖5 電動汽車最高車速仿真驗證圖

爬坡性能驗證主要是分析電動汽車在不同爬坡度下對應的最高車速，即相應的車速能通過的最大爬坡度是多少，如圖6所示，車速10 km/h對應的最大爬坡度為20.8%；4%爬坡度對應的車速112 km/h；12%爬坡度對應的車速為78 km/h。

圖6 電動汽車不同坡度下對應最高車速

4.3.3 加速時間驗證

加速時間驗證（即所說的加速度驗證）仿真曲線，如圖7所示。從圖7可以看出，0～50 km/h加速時間為7.1 s；50～80 km/h 加速時間為 6.2 s；0～100 km/h 加速時間為20.4 s。

圖7 電動汽車加速時間仿真曲線

4.3.4 經濟性驗證

根據電動汽車的定位，本次仿真采用的是NEDC工況，本工況相對接近純電動汽車的實際工況，對應的仿真結果也比較準確，如圖8所示，當電動汽車剩余電量為5%時，對應的續航里程為134.6 km。

圖8 NEDC工況電動汽車續航里程仿真曲線

5 結論

仿真分析結果表明，該車爬坡性能為20.8%，符合大于20%的爬坡度設計要求；4%坡度的爬坡車速和12%坡度的爬坡車速分別為112km/h和78km/h，大于要求的目標值60km/h和30km/h；最高車速112km/h，大于110km/h，滿足最高車速設計要求；0～50km/h和50～80km/h的加速時間分別為7.1 s和6.2s，滿足加速時間要求；續航里程為134.6km，大于100km，滿足行駛要求。初步判定，所進行的動力匹配與初步選型滿足動力性和經濟性要求，同時利用AVL-Cruise軟件建模仿真可以縮短研發周期，節約研發成本，減少電動汽車在設計上的盲目性，為今后的電動汽車開發提供了重要的參考數據。