基于ADVISOR純電動汽車動力性能研究

薛濤，申榮衛，丁棟厚

（天津職業技術師范大學 汽車與交通學院，天津 300222）

前言

隨著中國汽車保有量的逐年增加，近年來，全球面臨石油資源緊缺，同時傳統汽車工業的高速發展，所帶來的資源消耗和空氣污染兩大問題日益嚴重[1]。新能源汽車的大力推廣逐漸取得到了大眾認同，混合動力汽車和純電動汽車二者很好的解決了上述問題，從而達到節能減排的目標。電子控制技術日益成熟化，廣泛應用在各大汽車部件。純電動汽車相比于傳統燃油車，驅動系統簡單化、易操作性。目前，國際行業以及汽車企業發展規劃，許多汽車產業已經確定停止生產燃油車時間表，發展開發純電動汽車產業已經成為一項趨勢，尤其是其所具有零排放和穩定性的優勢更是占據了大部分主流汽車市場。純電動汽車中相比傳統燃油車結構較簡化，動力電池作為儲能裝置，驅動電機帶動車輛行駛。驅動電機的參數的合理選擇可以決定汽車的動力性能的表現，在開發和仿真純電動汽車進程中，動力系統參數的理論計算設計過程發揮著重要作用。

1 動力系統設計指標

評價汽車的動力性能，純電動汽車與傳統燃油汽車一樣，主要通過最高車速、加速時間、最大爬坡度三個方面來測試[2]。三個測試方面主要取決于動力系統的各部件性能的發揮，三者數據合理匹配決定設計方案的合理與否。參考現有純電動汽車設計國標要求，本文確定的純電動汽車動力性指標如表1所示。

表1 某型純電動汽車部分整車參數

本文選擇某公司生產的純電動汽車作為所仿真測試的樣本，如表2所示，以此為原型建立ADVISOR仿真模型，通過仿真測試，分析其動力性能參數是否達到設計指標的要求。

表2 某型純電動汽車基本技術參數

2 電機參數的確定

驅動電動機是純電動汽車最為核心部件，其電動機作為車輛動力的全部來源，而且電機輸出功率的分配對純電動汽車動力性有著直接影響。根據汽車的動力性指標選擇最適合的驅動電機，電動機功率的選擇決定其動力性能的表現。電動機功率小于最小動力需求，車輛在爬坡與加速行駛時，電機無法給車輛提供足夠功率，車輛的動力性能往往達不到設計要求，與此同時電動機會經常處于滿載工況甚至過載工況，若長時間處于該環境下，電動機的耐用性會下降；另一方面匹配電動機功率遠大于動力需求，此時車輛的加速與爬坡性能可以得到充分發揮。但是在滿足純電動汽車動力性提前下，電動機經常欠載運行，降低了電動機效率和動力電池使用率，對動力電池很大一部分能量造成了消耗，也對車輛整體的經濟性造成了下降。設計原則：動力系統必須滿足測試車輛動力性能的三個參數，動力系統的額定功率必須滿足車輛以最高車速行駛，動力系統必須滿足車輛加速性的要求,動力系統必須滿足車輛以最大爬坡度爬坡的要求，動力系統必須滿足車輛以額定轉矩在額定車速行駛的要求[3]。

2.1 根據最高設計車速vmax確定電機最大功率Pmax1

確定汽車的動力性，就是確定汽車沿行駛方向的運動特性。掌握沿汽車行駛方向作用于汽車的各種外力[4]。行駛阻力通常包括輪胎滾動阻力，空氣阻力，坡度阻力和加速阻力組成，根據牛頓第二定律，汽車行駛方程為：

式中，Ft為驅動力；∑F為行駛阻力之和。

式中，Ttq為電機轉矩；io為主減速器傳動比；ig為變速器傳動比；η—整車動力傳動系統效率；G為作用于汽車上的重力；f為車輪的滾動阻力系數；i為坡度值；CD為空氣阻力系數；A為汽車的迎風面積；ua為汽車車速；δ為汽車旋轉質量換算系數，δ＞1；du/dt為行駛加速度；m為汽車滿載質量。

當汽車以最高車速vmax勻速行駛時，電機所需提供的功率為：

式中：η為整車動力傳動系統效率；m為汽車滿載質量；g為重力加速度；f為滾動阻力系數；CD為空氣阻力系數；A為電動汽車的迎風面積。

2.2 根據穩定車速駛過20%坡度所確定電機的最大功率Pmax2

將坡度轉化為角度：α=tan-1(i)。

選擇爬坡度為設計指標，此時爬坡度為20%，行駛速度以2525km/h穩定行駛時所需的電機峰值功率為：

2.3 根據加速性能所確定電機的最大功率Pmax3

純電動汽車在測試加速性能時，選擇爬坡度為0，即在水平路面上，加速行駛所需功率：

在進行對整車總功率理論計算時，主要是確定加速末速度vt和加速時間T，二者為設計提供了理論依據。對于動力性三項指標計算的各自最大功率，動力源總功率Pm必須滿足以下公式，即

3 電機參數的選型

通過理論計算可以初步確定電機相關參數，通過選擇電機額定功率和峰值功率可以計算出電機額定轉速和扭矩以及最大轉速和扭矩。根據以上設計指標和理論計算，并且參照汽車市場以及相關國標數據，確定驅動電機參數如表3。

選擇電機類型時，根據已知理論計算所得電機參數。綜合各方面因素考慮，選用永磁同步電機，該電機類型具有功率因數高的優勢，在電機運轉過程中，能維持高效率運轉，從而保障汽車行駛中的動力需求。結構設計的輕量化、運轉過程中相比其他類型電機運轉平穩以及產生的熱量少等特點，得到了較為普遍的應用。在純電動汽車動力系統匹配過程中，該電機承載較大，在汽車行駛中能保障起步和加速時扭矩的穩定輸出[5]。

表3 電動機參數

4 典型工況的仿真

ADVISOR是由美國可再生能源實驗室NREL在MAT-LAB和SIMULINK軟件環境下開發的高級車輛仿真軟件[6]。軟件中有眾多測試循環工況可以選擇，根據各個工況的數據特點，選擇CYC_NEDC工況歐洲循環工況，我國汽車測試多采用CYC_NEDC工況。CYC_NEDC該工況相關參數如表4所示：

表4 CYC_NEDC該工況相關參數

4.1 整車參數和仿真參數輸入

在MATLAB中運行ADVISOR軟件，在主界面和m文件中輸入設計參數，如圖1所示。

圖1 參數輸入界面

主界面可以輸入以上相關理論計算所得到的電機參數，整車參數參考設計指標。ADVISOR程序中有比較完整的純電動汽車各部分仿真模型，對比理論計算各部分數據，參照其模型搭建出設計目標所要求整車數據模型框架。動力電池方面，選擇配備ESS_NIMH60_OVONIC電池模型，該類型為磷酸鐵錳鋰電池。與其他類型電池材料比較，電池壽命持久和密度大等優勢得到了廣泛應用[7]。

4.2 仿真運行結果

通過運行ADVISOR仿真程序，可以得出以下參數圖像。ADVISOR仿真功能豐富，可以同時仿真測試多種不同參數。本文主要測試汽車的動力性指標，主要測試電機、動力電池等數據。

圖2 車速-時間曲線圖

圖3 電池SOC-時間曲線圖

圖4 電機輸出扭矩-時間曲線圖

圖5 加速與爬坡測試數據

由圖2車速與時間的變化曲線可以看出，汽車在行車當中，速度變化比較頻繁，包括怠速、起步、加速、制動等行駛狀態。此變化曲線和CYC_NEDC循環工況參數較符合。圖3電池SOC-時間曲線圖變化規律，汽車行駛過程中，當行駛時間增加，電池的荷電狀態SOC隨時間逐漸下降，但變化中曲線有輕微的上浮動，說明汽車在制動時，能量的回收起到作用。圖4驅動電機輸出轉矩隨汽車的行駛時間變化趨勢，轉矩變化從曲線可以看出，轉矩的正負值反映出電機的運行狀態。

從圖5仿真數據結果：車輛從0-100km/h加速時間為12.1s，60-100km/h加速時間為7.4s；汽車行駛最大速度為120km/h；汽車在穩定車速下行駛，當車速為25km/h環境下測試，可以穩定通過的最大爬坡度為22.8%；三項汽車動力性評價指標均滿足設計他要求，證明設計所計算的理論數據均具有可行性。

5 結論

建模仿真是汽車開發的一項重要的基礎步驟，ADVISOR軟件集合了建模與仿真功能，在研發純電動汽車時，提供了驗證設計方案的合理性， 可有效減少研發周期和成本。在已有純電動汽車部分參數和設計目標范圍作為出發點，初步運用理論公式計算電機的主要參數，合理選擇ADVISOR軟件中滿足設計參數動力電池模塊，選用和驅動電機合理匹配的動力電池模快。搭建完成整車設計框架，綜合仿真結果的各項數據顯示，此設計方案在滿足純電動汽車設計目標。完成對整車動力性仿真，可以作為下一步進行優化設計的一項重要基礎。