電動汽車Cruise模型及其動力經濟性匹配分析

盧浩博，田野

（神華寶日希勒能源有限公司設備維修中心生產技術部，內蒙古 呼倫貝爾 021025）

引言

在未來技術進步及對能源與環境關注的多驅動下，能源需求和能源結構發生了重大調整，低碳化和可再生化將成為汽車發展的必然趨勢。發展新能源汽車成為緩解石油資源短缺、解決環境污染問題、實現汽車產業結構升級的重要手段。電動汽車作為新能源汽車的主要組成，在全球范圍內的普及與推廣已獲得巨大認可，并發展迅速[1]。

AVL Cruise 作為一款非常專業的汽車仿真分析軟件，可實現汽車的動力性、燃油經濟性、排放性能及制動性能的模擬分析[2]。該軟件的求解器可準確求解各種復雜模型對應的數學模型，其模塊化的建模理念可以幫助設計者快速簡便地搭建汽車模型。

本文基于Cruise軟件，對某電動汽車的整車動力性和經濟性進行匹配分析，其計算參數如表1所示。

1 汽車整車模型建立

本文所研究的電動汽車傳動系統布置空間相對較小，因此，選用機電集成驅動布置形式。此布置形式的整個傳動長度較短，傳動裝置體積小，占用空間小，容易布置，可進一步降低整車的質量[3]。圖1為搭建好的電動SUV汽車整車模型。

表1 計算參數

圖1 電動SUV汽車整車模型

2 參數選擇

2.1 電動機參數選擇

本文選擇永磁同步電動機。永磁同步電動機效率高、體積小、質量小，調速范圍寬，電機啟動時，具有電流沖擊小、電流隨負載變化小的優點，可提高電動汽車的乘坐舒適性[4]。

2.1.1 電動機的額定功率和峰值功率

（1）根據電動汽車最高車速確定電動機功率

電動汽車以最高車速行駛消耗的功率為：

式中：Umax為最高車速；m為整備質量；g取9.8 km/s2；f為滾動阻力系數；CD為迎風阻力系數；A為迎風面積；ηt為機械傳動系統效率，其取值范圍為ηt≥0.95，此處取0.96。最終Pmax1取值為37.88 kW。

（2）根據電動汽車最大爬坡度確定電動機功率

要滿足最大爬坡度需求，汽車爬坡的一般速度為 40 km/h，以該車速爬上最大坡度所需功率為：

式中：Up為 40 km/h；αmax=arctan0.3≈16.7°。最終 Pmax2取值為40.28 kW。

（3）根據電動汽車加速性能確定電動機功率

設定從0到100 km/h需用時14s，具體計算如下：

①電動汽車從0加速到50 km/h所需功率：

式中：Uj為電動汽車加速后達到的速度，此處取50 km/h；tj取 6.7s。δ為汽車旋轉質量換算系數，一般取值為1.1～1.4，此處取1.13。將上述數據代入（3）式計算得其結果為72.42 kW。

②電動汽車從0加速到100 km/h所需功率：

此時，Uj取值為100 km/h，tj取11.7s，這兩個數據代入（3）式計算得其結果為142.35kW。

電動機額定功率應滿足電動汽車對最高車速的要求，峰值功率應同時滿足電動汽車對最高車速、最大爬坡度和加速度的要求。所以電動汽車電動機的額定功率和峰值功率分別為：

電動汽車電動機的峰值功率與額定功率的關系：

式中，Pemax為電機的峰值功率；Pe為電動機的額定功率；λ為電動機的過載系數，一般取2～3。

考慮到電動機過載系數，取電動機額定功率為60 kW，取電動機的峰值功率為180 kW。

2.1.2 電動機的最高轉速和額定轉速

驅動電機的最高轉速在滿足最高車速要求的前提下不應過高，轉速過高會增加電機地制造工藝難度，從而增加成本。由于本車型對車速要求較高，所以選用高速電機。普通高速電動機的轉速為 10000～15000 r/min，最高轉速初步設定為12000 r/min。

式中，β為恒功率區系數，取β=2.3；nmax為電機最高轉速；ne為電機額定轉速。計算得ne=5217 r/min。

2.1.3 電動機轉矩的匹配

電機轉矩與其功率和轉速的關系如式（8）所示：

式中，Te表示額定轉矩，N·m；Pe表示額定功率，kW；ne表示額定轉速，r/min。由此算出驅動電機的額定扭矩為109.8 N·m，峰值扭矩為143.25 N·m。峰值扭矩不僅需要滿足車輛低速加速性能和爬坡能力要求，而且應具有一定的后備扭矩，即峰值扭矩應大于實際需求扭矩，初步設定峰值扭矩為240 N·m。電動機各參數匹配結果如表2所示。

表2 電動機參數匹配結果

2.2 傳動系統參數選擇

2.2.1 最大傳動比

該參數取決于驅動電機的最高轉速、汽車最高車速以及驅動輪半徑，計算公式為：

計算得imax=7.66。

2.2.2 最小傳動比

由最大爬坡度對應的行駛阻力和驅動電動機最大輸出轉矩Timax確定傳動比。

計算得imin=3.68。最終選i=5。

2.3 電池參數選擇

本文選取鎳鈷錳三元鋰電池。該電池壽命長，節能環保無污染，維護成本低，充放電徹底，重量輕。該電池電壓為3.6 V，標稱電壓3.7 V，電池典型工作范圍為3.0～4.2 V或更高。

電池組數目的選取須滿足電動汽車行駛時所需的最大功率和續航里程的要求[5]。電池的最大輸出功率為：

式中，E為單體電池的電動勢，取鎳鈷錳三元鋰電池的電動勢為3.6 V，R為單體電池內阻，取0.005 Ω。將上述數據代入式（11）可得其最大輸出功率為0.648 kW。

因此，滿足電動汽車行駛時所需的最大功率要求的電池組數目為：

式中，pemax為電動機的峰值功率（kW），根據2.1.1的相關內容可知，峰值功率為180 kW；ηe為電動機的工作效率，取94%；ηec為電動機控制器的工作效率，取96%；N為單電池組所包含的電池的數目，取35。將上述數據代入式（12）計算得到ηp約為9。

滿足電動車續駛里程要求的電池組數目為：

式中，L為續駛里程（km），此處取160 km；Cs為單節電池的容量；Vs為單節電壓電動勢，取3.6 V；W為電動汽車行駛1 km所消耗的能量（kW）。

最終確定的電池組數目為：

電動汽車行駛一公里所消耗的能量為：

式中，Pn為電動汽車以常規車速行駛所需的功率（kW），可通過式（2）計算得出，為40.28 kW；Pa為電動汽車附件消耗的功率，附件消耗的能量約占電池組總能量的 15%；vn為常規車速，取40 km/h。

電池組能量為：

式中，ηmc為電動機效率，取95%；ηdis為電池放電效率，取 93%；ηa為汽車附件能量消耗比例系數，取 15%；DOD為電池放電深度，取80%。

最終確定的電動 SUV汽車動力電池的參數匹配結果如表3所示。

表3 動力電池參數匹配結果

3 仿真結果與分析

本文在NEDC工況下進行電動SUV汽車的模擬仿真分析。NEDC是歐洲的續航測試標準，國內工業和信息化部在對純電動車的綜合里程進行測試時，采用的就是NEDC測試標準。

3.1 汽車整車動力性仿真結果與分析

3.1.1 最高車速仿真結果與分析

圖2為該車從0到170km/h的加速時間，可以看出，汽車最高車速為168 km/h，超過了計算參數理論值150 km/h。因此，最高車速符合要求。

圖2 0到170 km/h加速時間

圖3 50 km/h到80 km/h加速時間

3.1.2 加速性能仿真結果與分析

根據GB/T 28382-2012純電動乘用車中汽車加速性能實驗要求，加速性能包括0～50km/h和50～80km/h的加速性能，其加速時間分別不超過10s和15s。從圖2和表5可以看出，車速為0～50km/h的加速時間為4.34s，從圖3和表5可以看出，汽車50～80km/h的加速時間為4.22s。因此，加速性能符合要求。

表4 電動SUV汽車車速仿真主要數據

3.1.3 爬坡性能仿真結果與分析

根據GB/T 28382-2012純電動乘用車中汽車爬坡性能實驗要求，爬坡性能包括爬坡速度和車輛最大爬坡度，即車輛通過4%坡度的爬坡車速不低于60km/h，車輛通過12%坡度的爬坡車速不低于30km/h，車輛最大爬坡度不低于20%。從圖4中可以看出，爬坡性能仿真結果符合要求。

圖4 爬坡度仿真結果

3.2 汽車整車經濟性仿真結果與分析

從電動汽車的續駛里程和能量消耗率進行經濟型分析。能量消耗率可通過電池SOC值反映。圖5和圖6分別為電動SUV汽車續駛里程和電池SOC值的仿真結果。從圖5可以看出，電動 SUV汽車的續駛里程接近 180km，遠超計算時所設定的160 km，因此該電動汽車續駛里程符合要求。從圖6可以看出，電動汽車電池的SOC值隨時間的變化趨勢并非急劇下降，而是呈近似線性遞減趨勢，從側面也反映出電動汽車能量消耗呈線性遞減趨勢，遞減斜率大概為0.0047，具有較好的經濟性。

圖5 續駛里程仿真結果

圖6 SOC仿真結果

4 結論

（1）本文研究的某款電動SUV汽車動力性和經濟性參數匹配如下：汽車動力性指標最高車速為 150km/h，加速時間 0～50km/h用時 6.7s，50～80km/h用時 4.3s，最大爬坡度30%，汽車續駛里程為160km。

（2）經Cruise軟件模擬仿真，該款電動SUV汽車的最高車速、加速時間、最大爬坡度以及續駛里程均符合設計要求，同時驗證了仿真模型及動力系統理論匹配和經濟性分析方法的合理性。