基于Cruise的純電動(dòng)汽車性能仿真及測(cè)試驗(yàn)證

員汝娜 鄒忠月 張騰 趙旭陽(yáng)

（河南速達(dá)電動(dòng)汽車科技有限公司）

目前，純電動(dòng)汽車發(fā)展前景廣闊，作為電動(dòng)汽車的核心部件，動(dòng)力系統(tǒng)匹配是否合理直接影響著整車性能的好壞[1]。以往，電動(dòng)汽車主要通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)或道路測(cè)試來(lái)對(duì)其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，但是電機(jī)、電池及動(dòng)力系統(tǒng)的匹配方案和各關(guān)鍵部件的參數(shù)變化多樣，如果針對(duì)每種方案都進(jìn)行實(shí)車測(cè)試不僅會(huì)增加成本，而且會(huì)延長(zhǎng)研發(fā)周期。基于上述問(wèn)題，文章利用Cruise 軟件中的零部件模塊，針對(duì)各種方案快速建立整車模型，通過(guò)創(chuàng)建計(jì)算任務(wù)對(duì)整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性能各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行模擬計(jì)算，快速選出最佳匹配方案，然后通過(guò)實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性，大大縮短了整車研發(fā)周期，節(jié)約了企業(yè)成本[2]。

1 動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)匹配計(jì)算

1.1 整車基本參數(shù)及性能要求

文章所研究的純電動(dòng)汽車的整車基本參數(shù)和性能要求，如表1 所示。

表1 純電動(dòng)汽車整車基本參數(shù)和性能要求

1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配計(jì)算

1.2.1 額定/峰值功率

額定功率和峰值功率是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的2 個(gè)重要參數(shù)[3]。一般來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率首先應(yīng)該滿足汽車以最高車速行駛時(shí)所需要的功率，這是因?yàn)椴煌谂榔潞图铀伲囈宰罡哕囁傩旭偸情L(zhǎng)時(shí)間的行駛狀態(tài)，因此一般以汽車在平坦道路上最高車速行駛時(shí)的功率來(lái)確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率，以最高車速功率、最大爬坡度功率以及加速時(shí)間功率中的最大值確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率。

根據(jù)最高車速確定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率（Pe/kW）為：

式中：η——傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率；

m——滿載質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，m/s2；

f——滾動(dòng)阻力系數(shù)；

CD——風(fēng)阻系數(shù)；

A——迎風(fēng)面積，m2；

vmax——最高車速，km/h。

根據(jù)最大爬坡度確定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率（Pmax1/kW）為：

式中：α——坡度角，α=arctan i；

i——最大爬坡度，%；

vα——爬坡車速，km/h。

根據(jù)加速時(shí)間確定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率（Pmax2/kW）為：

式中：δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；

t——加速時(shí)間，s；

x——擬合系數(shù)，一般取0.5；

vt——汽車加速末速度（這里取100 km/h）。

通過(guò)式 （1）～ 式 （3） 計(jì)算可得：Pe=31.88 kW，Pmax1=47.25 kW，Pmax2=71.83 kW。綜合考慮可選電機(jī)的額定功率為40 kW，峰值功率為80 kW。

1.2.2 額定/峰值轉(zhuǎn)速

一般來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速要滿足常規(guī)車速的需求，峰值轉(zhuǎn)速要滿足最高車速的需求。文章將常規(guī)車速設(shè)定為50 km/h，最高車速設(shè)定為130 km/h。

式中：n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

I——減速器速比；

v——車速，km/h；

r——輪胎滾動(dòng)半徑，m。

通過(guò)式（4）計(jì)算可得：額定轉(zhuǎn)速ne=3 367 r/min，峰值轉(zhuǎn)速nmax=8 753 r/min。

1.2.3 額定/峰值轉(zhuǎn)矩

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩（Te/N·m）一般由電機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速來(lái)確定：

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩（Tmax/N·m）要滿足汽車起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大爬坡轉(zhuǎn)矩，并結(jié)合汽車的減速比來(lái)確定：

通過(guò)式（5）和式（6）計(jì)算可得：Te=114 N·m，Tmax=223 N·m。

基于上述計(jì)算結(jié)果，選取某款永磁同步電機(jī)做為該電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該電機(jī)基本參數(shù)包括：額定功率和峰值功率分別為40 kW 和80 kW；額定轉(zhuǎn)速和峰值轉(zhuǎn)速分別為3 357 r/min 和9 000 r/min；額定轉(zhuǎn)矩和峰值轉(zhuǎn)矩分別為128 N·m 和240 N·m。

1.3 動(dòng)力電池參數(shù)匹配計(jì)算

選取電池容量為120 A·h，單體為3.66 V 的三元鋰離子（鎳鈷錳酸鋰）電池作為動(dòng)力電池。為了滿足整車的動(dòng)力性和續(xù)駛里程要求，單體電池的數(shù)目應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大輸出功率和續(xù)駛里程的要求[4]。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大輸出功率確定的電池組數(shù)目（N1）為：

式中：Pemax——驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大輸出功率，kW；

Pbmax——單體電池的最大輸出功率，kW；

ηe——驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率，這里取85%。

根據(jù)續(xù)駛里程要求確定的電池組數(shù)目（N2）為：

式中：Pe60——等速60 km/h 行駛時(shí)電機(jī)的輸出功率，kW；

L——等速60 km/h 的續(xù)駛里程，km；

CS——單體電池容量，A·h；

VS——單體電池電壓，V；

ηb——單體電池放電深度，這里取90%；

ηe60——等速60 km/h 行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率，這里取90%。

通過(guò)式（7）和式（8）計(jì)算可得：N1=52.3，N2=86.6，而電池組數(shù)目 N≥max{N1，N2}，因此取 N=90。

基于上述計(jì)算結(jié)果，這款電池容量為120 A·h，單體電池額定電壓為3.66 V 的動(dòng)力電池組個(gè)數(shù)為90。

2 整車模型仿真

2.1 基于Cruise的整車模型建立

作為一款可以對(duì)整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析的軟件，Cruise 中集成了汽車各個(gè)零部件，方便整車模型仿真搭建[5]。基于Cruise 搭建的整車模型，如圖1所示。該模型包括：車輛（Vehicle）模塊、輪胎（Wheel）模塊、制動(dòng)器（Brake）模塊、差速器（Differential）模塊、變速器（Transmission）模塊、電機(jī)（Electric Machine）模塊、電池（Battery）模塊、電池管理系統(tǒng)（Battery Manage）模塊、駕駛室（Cockpit）模塊、監(jiān)視器（Monitor）模塊、MATLAB DLL 模塊以及燈、儀表、空調(diào)等用電器模塊，各模塊之間通過(guò)電氣、機(jī)械以及信號(hào)進(jìn)行連接[6]。其中MATLAB DLL 模塊內(nèi)添加了電機(jī)控制策略和制動(dòng)能量回收策略的Simulink 模型。

圖1 基于Cruise 搭建的整車模型

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 動(dòng)力性能仿真結(jié)果

某純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能仿真結(jié)果，如圖2 所示。該車最高車速的仿真結(jié)果為133 km/h，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為8 955 r/min。汽車的最高車速主要受到電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速和主減速器速比的限制。從圖2a 可以看出，當(dāng)車速為30 km/h 時(shí)，該車對(duì)應(yīng)的爬坡度為32.20%，滿足設(shè)計(jì)要求；從圖2b 可見(jiàn)，車速由0 加速至100 km/h 所需時(shí)間為11.75 s。

圖2 某純電動(dòng)車動(dòng)力性能仿真結(jié)果

2.2.2 經(jīng)濟(jì)性能仿真結(jié)果

在汽車制動(dòng)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)車輪在慣性下帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，此時(shí)電機(jī)不向外輸出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)處于饋電狀態(tài)，將汽車行駛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存至動(dòng)力電池中，延長(zhǎng)汽車的續(xù)駛里程[7]。

在使用Cruise 對(duì)整車進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性能仿真時(shí)，添加了制動(dòng)能量回收部分，有效延長(zhǎng)了NEDC 工況下的續(xù)駛里程。圖3 示出在一個(gè)NEDC 循環(huán)工況下，車速及電池SOC 隨時(shí)間的變化規(guī)律。從圖3 可以看出，在汽車制動(dòng)過(guò)程中，SOC 略有回升，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于饋電狀態(tài)，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，可有效延長(zhǎng)NEDC 工況的續(xù)駛里程。圖4 示出NEDC 工況及等速60 km/h 工況下汽車的續(xù)駛里程。

圖3 NEDC 工況下某純電動(dòng)汽車車速和電池SOC 的變化規(guī)律

圖4 某純電動(dòng)汽車在不同工況下的續(xù)駛里程

由仿真計(jì)算結(jié)果可以得到：

1）在未考慮電池充電效率的情況下，在NEDC 工況下的汽車的續(xù)駛里程為281 km，對(duì)應(yīng)的耗電量為140.57 W·h/km；

2）等速60 km/h 工況下汽車的續(xù)駛里程為370 km，對(duì)應(yīng)的耗電量為106.76 W·h/km；

3）在NEDC 工況下，雖然對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行了回收，但是該工況下汽車需要頻繁地啟停和加速，電機(jī)工作在不同的效率區(qū)，導(dǎo)致續(xù)駛里程較等速工況下短。

3 實(shí)車測(cè)試

3.1 測(cè)試條件

為了驗(yàn)證所匹配動(dòng)力系統(tǒng)的合理性以及Cruise 仿真的準(zhǔn)確性，對(duì)該純電動(dòng)汽車進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。整車的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能分別按照GB/T 18385—2005《電動(dòng)汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》[8]和GB/T 18386—2005《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》[9]進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 測(cè)試結(jié)果

在實(shí)車測(cè)試的過(guò)程中，為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，共進(jìn)行了初試和復(fù)試2 輪測(cè)試。整車性能試驗(yàn)結(jié)果，如表2 所示。由表2 中整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性能的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，整車試驗(yàn)結(jié)果與仿真各項(xiàng)數(shù)據(jù)相差不大，且均滿足整車的設(shè)計(jì)要求，造成數(shù)據(jù)差異的原因可能是仿真過(guò)程中模型的部分參數(shù)標(biāo)定不夠準(zhǔn)確，或者是駕駛員的實(shí)際操作引起的偏差。綜合考慮整車各性能的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，該款純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配合理，同時(shí)證明了基于Curise 建立的整車模型的準(zhǔn)確性。

表2 某純電動(dòng)汽車整車性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

文章基于某款純電動(dòng)車的整車基本參數(shù)和性能要求，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及動(dòng)力電池的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了匹配計(jì)算。基于Curise 軟件搭建了整車模型，對(duì)整車性能進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果表明：該車最高車速為133 km/h，0～100 km 加速時(shí)間為11.75 s，當(dāng)車速為30 km/h 時(shí)對(duì)應(yīng)的爬坡度為32.20%，NEDC 工況續(xù)駛里程為281 km，等速60 km/h 工況下的續(xù)駛里程為370 km，動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)對(duì)所設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車進(jìn)行了裝車驗(yàn)證，結(jié)果表明整車試驗(yàn)結(jié)果與仿真各項(xiàng)數(shù)據(jù)相差不大，且均滿足整車的設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明了該款純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的合理性，以及基于Curise 建立的整車模型的準(zhǔn)確性，減少了電動(dòng)汽車在設(shè)計(jì)初期的盲目性，還可作為下一步優(yōu)化提升的模型基礎(chǔ)，大大簡(jiǎn)化了整車的開(kāi)發(fā)流程。