純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及仿真分析

白素強(qiáng) 楊瑞兆 鄧家奇

摘 要：論文依據(jù)整車性能指標(biāo)，通過(guò)理論分析和計(jì)算，對(duì)某8×4載貨車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配，基于AVL-Cruise建立整車模型并進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的合理性，為純電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及仿真提供分析方法。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;參數(shù)匹配;動(dòng)力系統(tǒng);仿真分析

中圖分類號(hào)：U469.72 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）19-01-04

Parameter matching and simulation analysis of pure electric vehicle

powertrain system

Bai Suqiang， Yang Ruizhao， Deng Jiaqi

（ Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.， Ltd. Automotive Engineering Research Institute， Shaanxi Xi'an 710200 ）

Abstract： According to the vehicle performance index and theoretical analysis calculation， the powertrain parameters of a 8×4 truck were matched. Based on AVL-Cruse， the vehicle model was established and simulated. the rationality of powertrain parameters matching was verified， and the analysis method was provided for the powertrain parameters matching and simulation of pure electric vehicle.

Keywords： Pure electric vehicle; Parameter matching; Powertrain; Simulation analysis

CLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-01-04

1 引言

隨著汽車工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，汽車逐漸進(jìn)入人們的生活，成為普通的消費(fèi)品，極大方便了人們的生活，但隨著汽車保有量的逐漸增加，其帶來(lái)的環(huán)境污染和能源危機(jī)也越來(lái)越嚴(yán)重，基于此，發(fā)展新能源汽車成為汽車企業(yè)的重點(diǎn)突破方向[1]，因此純電動(dòng)汽車應(yīng)運(yùn)而生，因其零排放、零污染等特點(diǎn)，成為新能源汽車發(fā)展中極其重要的發(fā)展方向。

在電動(dòng)車開發(fā)初期應(yīng)用理論分析及仿真技術(shù)等手段，進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及性能仿真分析，可提高正向開發(fā)能力，縮短開發(fā)周期，節(jié)約成本，提高開發(fā)效率[2]。本文根據(jù)整車性能參數(shù)指標(biāo)，建立動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的相關(guān)理論計(jì)算方法，并對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，動(dòng)力電池等系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配，基于AVL-Cruise建立整車模型，并對(duì)其最高車速、最大爬坡度、加速時(shí)間及續(xù)駛歷程等進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)滿足整車性能設(shè)計(jì)指標(biāo)，為電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及仿真分析提供分析方法和技術(shù)參考。

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配主要目的是根據(jù)整車性能指標(biāo)參數(shù)，對(duì)動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等基本參數(shù)進(jìn)行匹配計(jì)算及選型。

2.1 整車性能指標(biāo)

整車性能指標(biāo)主要包括動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，其中動(dòng)力性指標(biāo)包括最高車速，最大爬坡度和加速時(shí)間等，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)包括燃油經(jīng)濟(jì)性，對(duì)電動(dòng)車而言，主要指續(xù)航里程，具體性能指標(biāo)分類如表1所示。

表1 ?整車性能指標(biāo)分類

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配

驅(qū)動(dòng)電機(jī)為純電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，是其唯一動(dòng)力來(lái)源，其性能參數(shù)直接關(guān)系到整車的動(dòng)力性。純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般要有低速高扭矩輸出特性，要有較高的過(guò)載能力，較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本參數(shù)主要包括：峰值功率、峰值轉(zhuǎn)矩、峰值轉(zhuǎn)速、額定功率、額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速等[1]。

2.2.1 峰值功率

根據(jù)汽車?yán)碚撓嚓P(guān)知識(shí)，汽車動(dòng)力性主要由三方面的指標(biāo)來(lái)評(píng)定，分別為汽車的最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率應(yīng)同時(shí)這三個(gè)動(dòng)力性指標(biāo)，因此取三者中的最大值，即為：

Pmax≧max（Pv，Pt，Pa） ??????????????????????????（1）

式中，Pv為根據(jù)最高車速計(jì)算的功率，Pt為根據(jù)原地起步加速到規(guī)定車速計(jì)算的功率，Pa為根據(jù)最大爬坡度計(jì)算的功率，根據(jù)汽車?yán)碚撓嚓P(guān)知識(shí)，各功率計(jì)算公式如下[3]：

其中，m為整車質(zhì)量（kg），g為重力加速度，即9.8m/s2，cd為空氣阻力系數(shù)，A為迎風(fēng)面積（m2），u1為最高車速（km/h），f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，η為傳動(dòng)系機(jī)械效率，δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，u2為原地起步加速末速度，α為最大爬坡度，u3為以最大爬坡度行駛時(shí)要求的車速（km/h）。

2.2.2 額定功率

電機(jī)額定功率主要由汽車在平直路面上以最高車速行駛時(shí)要求的最低功率來(lái)確定，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率為：

Pe≧Pv ??????????????????????????????????????（5）

2.2.3 峰值轉(zhuǎn)矩

電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩根據(jù)汽車最大爬坡度進(jìn)行匹配計(jì)算，電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩Tmax計(jì)算公式為：

式中，r為輪胎滾動(dòng)半徑（m），u以最大爬坡度行駛時(shí)要求的車速（km/h），i0為主減速器傳動(dòng)比，i1為1檔傳動(dòng)比，其余參數(shù)參照公式2.2～2.4。

2.2.4 最高轉(zhuǎn)速

驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足最高車速要求，因此最高轉(zhuǎn)速nmax為：

式中參數(shù)參照公式2.6。

目前，純電動(dòng)汽車采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)四種類型，根據(jù)文獻(xiàn)中[4]對(duì)各電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)的比較，結(jié)合車型的實(shí)際需求，文中選擇永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2.3 動(dòng)力電池參數(shù)匹配

純電動(dòng)汽車行駛時(shí)所用的電能一般是通過(guò)轉(zhuǎn)換動(dòng)力電池存儲(chǔ)的化學(xué)能來(lái)獲得，其作為能量來(lái)源，直接決定了電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，是目前制約純電動(dòng)汽車發(fā)展的主要原因，是亟待解決的瓶頸問(wèn)題。對(duì)動(dòng)力電池的期望特征是：高比功率、高比能量、能接受較大電流的能力、使用時(shí)間長(zhǎng)、持久的循環(huán)壽命等。作為動(dòng)力電池使用的汽車企業(yè)，主要關(guān)注的是動(dòng)力電池能否滿足整車?yán)m(xù)駛里程、選型的電池是否與整車匹配，對(duì)電池本身的設(shè)計(jì)問(wèn)題主要由電池企業(yè)進(jìn)行研究。文中對(duì)動(dòng)力電池的匹配主要包括動(dòng)力電池容量匹配、電池類型選擇、電池串并聯(lián)方式等。

2.3.1 電池類型選擇

目前純電動(dòng)汽車上廣泛應(yīng)用的動(dòng)力電池主要有：鉛酸電池、鎳氫電池和鋰電池等，其中鋰電池最具發(fā)展優(yōu)勢(shì)，技術(shù)也較為成熟，目前鋰電池也已經(jīng)發(fā)展出了不同的類型，主要包括磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，鋰電池具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、比能量和比功率高、安全性高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)[4]，因此本文動(dòng)力電池選擇磷酸鐵鋰電池。

2.3.2 電池容量匹配

電池容量直接決定著車輛的續(xù)駛里程，是滿足整車經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的重要匹配參數(shù)[5]，需要根據(jù)車輛不同工況下的續(xù)駛里程進(jìn)行匹配計(jì)算，因此電池容量應(yīng)同時(shí)滿足40km/h等速續(xù)駛里程和C-WTVC續(xù)駛里程要求，即：

C≧max（C1，C2） ?????????????????????????????（8）

式中，C1為滿足40km/h等速續(xù)駛里程要求的電池容量，C2為滿足C-WTVC續(xù)駛里程要求的電池容量。

（1）40km/h等速續(xù)駛里程電池容量

40km/h等速續(xù)駛里程電池能量W1為：

式中w1為電池能量（kwh），P為等速行駛所需功率（kw），具體參考公式2.2，S為等速續(xù)駛里程指標(biāo)值，u為等速行駛車速（km/h），ηsod為電池放電深度。

根據(jù)電池能量w1，可得電池容量C1為：

式中，C1為電池容量（Ah），W1為電池能量（kwh），U為電池組額定無(wú)負(fù)載端電壓（V）。

（2）C-WTVC續(xù)駛里程電池容量

C-WTVC續(xù)駛里程電池容量計(jì)算過(guò)程如下：

首先，根據(jù)公式（11）計(jì)算C-WTVC工況瞬時(shí)功率：

式中Pm為C-WTVC工況瞬時(shí)功率（kw），u為C-WTVC工況瞬時(shí)車速（km/h），a為C-WTVC工況瞬時(shí)加速度（m/s2），其余參數(shù)參考公式（2）～（4）。

其次將C-WTVC工況瞬時(shí)功率沿時(shí)間方向積分，獲得單個(gè)C-WTVC工況所需電池能量E。

最后，計(jì)算C-WTVC續(xù)駛里程電池能量W2為：

式中S為C-WTVC續(xù)駛里程（km），E為單個(gè)C-WTVC工況所需電池能量（kwh），s2為單個(gè)C-WTVC工況行駛里程（km），ηsod為電池放電深度。

根據(jù)電池能力W2，根據(jù)式（10）即可計(jì)算C-WTVC續(xù)駛里程電池容量C2。

3 整車仿真模型建立

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAE在車輛的設(shè)計(jì)開發(fā)中應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，其可以縮短車輛開發(fā)周期、節(jié)約成本，提升正向開發(fā)能力。文中，當(dāng)通過(guò)理論計(jì)算完成動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配后，需要通過(guò)仿真分析驗(yàn)證參數(shù)匹配的合理性，為后續(xù)設(shè)計(jì)工作的開展提供技術(shù)支持。本文采用AVL-Cruise軟件進(jìn)行車輛建模及仿真分析。

AVL-Cruise軟件由奧地利AVL公司開發(fā)，主要用于車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能以及制動(dòng)性能等的仿真分析，該軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，建模快速、便捷、準(zhǔn)確、高效，可用于車輛開發(fā)過(guò)程中動(dòng)力系統(tǒng)的匹配、車輛性能預(yù)測(cè)等，廣泛應(yīng)用與純電動(dòng)汽車的性能仿真分析中。

基于AVL-Cruise建立的某商用8×4載貨車模型如圖3所示，模型建立主要分兩步：模塊導(dǎo)入及參數(shù)設(shè)置和各模塊連接關(guān)系建立。選擇的模塊包括車輛（vehicles）、電機(jī)（electric Machine）、電池（Battery H）、變速器（Gear box）、主減速器（Single Ratio transmision）、AMT模塊（Gear Box）、駕駛室模塊（cockpit）等，導(dǎo)入各模塊后，將整車模型參數(shù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池匹配參數(shù)等輸入各模塊。當(dāng)各模塊選定后，需要建立各模塊之間的關(guān)系連接，AVL-Cruise模塊與模塊的連接主要有：物理連接、電氣連接和信息連接[5]。其中，物理連接表示各部件之間的真實(shí)機(jī)械連接關(guān)系，如圖1中藍(lán)色線，主要依據(jù)車輛布置方案以及各部件之間的實(shí)際機(jī)械連接關(guān)系及順序而確定;電氣連接表示部件之間的電力傳輸關(guān)系，如圖1中紅色線，模型中主要包括電機(jī)與電池以及電氣附件的電氣連接;信息連接表示部件之間的信息數(shù)據(jù)傳輸、各種命令和信號(hào)的傳遞等，如圖2所示，信號(hào)連接是整車建模中最為關(guān)鍵的內(nèi)容之一，具有較大的難度，該連接關(guān)系需要對(duì)車輛運(yùn)行過(guò)程中各部件之間的連接和控制關(guān)系、信息和命令的傳遞關(guān)系以及車輛動(dòng)力學(xué)、工作原理等有深入的理解，可參考軟件自帶模型的信息連接進(jìn)行搭建。建模完成后，通過(guò)檢查功能（check）進(jìn)行模型檢查，查看模型是否正確。

4 仿真分析

模型建立后，根據(jù)仿真需求建立相應(yīng)的計(jì)算任務(wù)，由于本文主要目的是通過(guò)仿真分析驗(yàn)證動(dòng)力參數(shù)匹配的合理性，因此主要仿真需求包括動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真分析，其中動(dòng)力性仿真分析包括車輛最高車速、最大爬坡度和加速時(shí)間，經(jīng)濟(jì)性仿真分析主要包括等速行駛和C-WTVC續(xù)駛里程分析。

4.1 動(dòng)力性分析

仿真分析整車動(dòng)力性，包括最高車速、最大爬坡度和加速度時(shí)間，其中，最高車速如圖3所示，加速時(shí)間如圖4所示，最大爬坡度如圖5所示。

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)濟(jì)性分析主要包括40km/h等速續(xù)駛里程和C-WTVC續(xù)駛里程分析，其中40km/h等速行駛電池S0C值變化量與行駛里程，如圖6所示，C-WTVC工況電池S0C值變化量與行駛里程，如圖7所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)某商用8×4載貨車整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，對(duì)該載貨車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及動(dòng)力電池的參數(shù)進(jìn)行匹配，建立了純電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配的計(jì)算方法，基于AVL-Cruise建立8×4載貨車模型，并進(jìn)行整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真分析，為純電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及仿真分析提供分析方法和技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)

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