基于Cruise 的純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配及仿真

戴廣金，倪驍驊，鄭竹安

（224051 江蘇省 鹽城市 鹽城工學(xué)院 汽車工程學(xué)院）

0 引言

隨著純電動(dòng)汽車相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性要求日益提高[1]。目前，制約純電動(dòng)汽車發(fā)展的主要問(wèn)題之一是續(xù)駛里程相對(duì)較短，且驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池方面技術(shù)尚未取得重大突破，合理匹配純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，有助于純電動(dòng)汽車獲得良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[2]。鑒于此，本文根據(jù)某純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)參數(shù)和性能指標(biāo)，對(duì)目標(biāo)車輛的電機(jī)、動(dòng)力電池、傳動(dòng)比等動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配計(jì)算。利用Cruise 車輛仿真軟件，搭建純電動(dòng)汽車仿真模型，對(duì)其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 純電動(dòng)汽車的構(gòu)成和基本參數(shù)

1.1 純電動(dòng)汽車的構(gòu)成

本文純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)選用中央電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式，其技術(shù)安全可靠，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本不高。主要有電池、電機(jī)、固定比減速器、差速器、車輪等部分組成[3]，其結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 純電動(dòng)汽車中央電機(jī)驅(qū)動(dòng)構(gòu)造Fig.1 Central motor drive structure of pure electric vehicle

1.2 純電動(dòng)汽車的技術(shù)參數(shù)

參考目前市場(chǎng)上的已有車型[4]，本文純電動(dòng)汽車整車設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 純電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of pure electric vehicle

1.3 純電動(dòng)汽車的性能指標(biāo)

根據(jù)GB/T 28382-2012 《純電動(dòng)乘用車 技術(shù)條件》、GB/T 18385-2005《電動(dòng)汽車 動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》中相關(guān)規(guī)定，本文車輛的性能指標(biāo)如表2 所示。

表2 純電動(dòng)汽車性能指標(biāo)Tab.2 Performance indicators of pure electric vehicle

2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配

運(yùn)用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]。

2.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率

（1）最高車速?zèng)Q定所需功率

式中：Pmax1——驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率；m——整車質(zhì)量；g——重力加速度；CD——空氣阻力系數(shù)；f——滾動(dòng)阻力系數(shù)；ηT——?jiǎng)恿鲃?dòng)系統(tǒng)效率；Vmax——最高穩(wěn)定車速；A——迎風(fēng)面積。

結(jié)合設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，Pmax1≥36 kW。（2）以爬坡能力決定所需功率

式中：αmax——汽車能爬的最大坡度角；Vi——爬最大坡度時(shí)的恒定車速。

結(jié)合設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，Pmax2≥56.8 kW。

（3）以加速性能決定所需功率

式中：Vf——加速的目標(biāo)車速；δ——電機(jī)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；du/dt——加速度。

結(jié)合設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，Pmax3≥99.14 kW。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率必須滿足車輛最大速度穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需功率，峰值功率必須滿足動(dòng)力性需求，即：

驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率與額定功率直接存在如下關(guān)系：

式中：Pe——電機(jī)的額定功率；λ——電機(jī)過(guò)載系數(shù)，取值為2～3，本論文中取值為2.25。

綜上所述，驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率為45 kW，峰值功率為100 kW。

2.1.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速

根據(jù)車輛最高車速、電機(jī)的功率，本文選擇交流感應(yīng)式電機(jī)，考慮一定冗余量，本文車型電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax擬選12 000 r/min。

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速大小影響其效率的特性分布。其與電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速之間存在著如下的關(guān)系，關(guān)系式為

式中：β——電機(jī)的擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)，其值為2.5；nmax——電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速；ne——電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，所以電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為4 800 r/min。

2.1.3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

式中：Tmax——電機(jī)的峰值扭矩；Te——電機(jī)的額定扭矩；Pmax——電機(jī)的峰值功率；Pe——電機(jī)的額定功率。

電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩為198.95 N·m，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩88.42 N·m。

2.1.4 電機(jī)電壓

純電動(dòng)汽車的電機(jī)額定電壓與額定功率呈現(xiàn)線性關(guān)系，所以本文根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率及電機(jī)選型，選用額定電壓為368 V 的電動(dòng)機(jī)。

2.2 傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

本文選擇固定比變速傳動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)相關(guān)參數(shù)確定時(shí)，車輛傳動(dòng)比主要由整車的動(dòng)力性指標(biāo)來(lái)確定。

（1）根據(jù)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和車輛最高車速確定傳動(dòng)比上限

（2）根據(jù)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩和最高車速行駛行駛阻力

計(jì)算可得：3.024 ≤i ≤8.29。

根據(jù)能量效率最優(yōu)的選擇原則，選擇i 為8.29。

2.3 動(dòng)力電池組參數(shù)設(shè)計(jì)

電池組的電壓需滿足電機(jī)電壓工作需求，且大于電機(jī)的額定電壓，同時(shí)容量需要滿足續(xù)駛里程。本文根據(jù)目標(biāo)車型，選擇具有高能量、充放電速度良好的三元鋰離子電池[6]。

2.3.1 電池容量

根據(jù)目標(biāo)車輛性能指標(biāo)中的續(xù)駛里程要求

式中：Va——等速行駛速度；L——行駛里程；DOD——電池放電深度，取值0.85；ηmc——電機(jī)效率，取值0.91；ηdis——放電效率，取值0.9；EB——電池總能量。

計(jì)算可得EB≥35.89 kW·h。

2.3.2 動(dòng)力電池組數(shù)目

（1）滿足目標(biāo)車輛行駛最大功率時(shí)的動(dòng)力電池?cái)?shù)目

式中：N——所需蓄電池的個(gè)數(shù)；E0——單體蓄電池的工作電壓，取E0=3.7 V；C——電池的單體額定容量，35 A·h。

計(jì)算可得N ≈278。

（2）電池串聯(lián)數(shù)目

電池通過(guò)串聯(lián)滿足電機(jī)所需的額定電壓和其他器件需要的電壓需求。

式中：Uels——電池組的總電壓（需大于電機(jī)的額定電壓）；U0——電池單體電壓。

計(jì)算可得n1≈109。

（3）電池組并聯(lián)的數(shù)目

電池通過(guò)并聯(lián)滿足車輛的容量需求：

式中：Eb——電池組單體容量。

計(jì)算可得n2≈3。

3 純電動(dòng)汽車整車建模及仿真分析

本文利用AVL-Cruise 仿真軟件對(duì)車輛進(jìn)行建模及仿真分析，驗(yàn)證目標(biāo)車輛的性能指標(biāo)[7]。

3.1 模型建立

在AVL-Cruise 建模主要分兩步：（1）導(dǎo)入相關(guān)模塊：車輛（vehicles）、電機(jī)（electric Machine）、電池（Battery H）、主減速器（Single Ratio transmision）、駕駛室模塊（cockpit）等，輸入目標(biāo)車輛的設(shè)計(jì)參數(shù)和相關(guān)部件參數(shù)；（2）對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行連接，確保相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞無(wú)誤[8]。本文搭建模型如圖2 所示。

圖2 整車模型Fig.2 The whole vehicle model

3.2 動(dòng)力性分析

動(dòng)力性指標(biāo)主要為汽車的最高車速、加速性能、爬坡性能。

3.2.1 最高車速

最高車速及百公里加速時(shí)間如圖3 所示，最高車速可達(dá)164.26 km/h，百公里加速時(shí)間為12.78 s，達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)。

圖3 最高車速及加速時(shí)間Fig.3 Maximum speed and acceleration time

3.2.2 加速性能

如圖4 所示，車輛0～50 km/h 加速時(shí)間4.38 s，加速距離為31.52 m，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 0～50 km/h 加速性能Fig.4 0～50 km/h acceleration performance

如圖5 所示，車輛50～80 km/h 加速時(shí)間4.38 s，加速距離為81.08 m，符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 50～80 km/h 加速性能Fig.5 50～80 km/h acceleration performance

3.2.3 爬坡性能

爬坡度如圖6 所示，滿載車況下，車速為1 km/h 時(shí)，爬坡度達(dá)29%；車速為20 km/h 時(shí)，爬坡度達(dá)28.56%，達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)。

圖6 爬坡性能Fig.6 Climbing performance

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要為續(xù)駛里程和能量消耗量。本文分別從NEDC、UDC 和60 km/h 等速工況下進(jìn)行仿真分析，計(jì)算3 種工況下的百公里能耗和續(xù)駛里程。

3.3.1 NEDC 循環(huán)工況

如圖7 所示，在NEDC 工況下，汽車最大續(xù)駛里程為197.74 km，能耗為17.64 kW·h/100 km。

圖7 NEDC 工況下續(xù)駛里程、SOC 值、能耗Fig.7 Driving range,SOC value,and energy consumption under NEDC

3.3.2 UDC 循環(huán)工況

如圖8 所示，在UDC 工況下，汽車最大續(xù)駛里程為230.29 km，能耗為15.03 kW·h/100 km。

圖8 UDC 工況下續(xù)駛里程、能耗Fig.8 Driving range and energy consumption under UDC

3.3.3 60 km/h 等速工況分析

在60 km/h 等速工況下，如圖9 所示，汽車最大續(xù)駛里程約為247.22 km，能耗為14.41 kW·h/100 km。

圖9 60 km/h 工況下續(xù)駛里程、能耗Fig.9 Driving range and energy consumption under 60 km/h

4 結(jié)論

（1）本文根據(jù)目標(biāo)車輛的整車參數(shù)和性能指標(biāo)，計(jì)算了驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、傳速比系統(tǒng)參數(shù)，并在Cruise 軟件中搭建相關(guān)模型進(jìn)行動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算仿真。

（2）仿真結(jié)果表明，該車輛動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能都達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，說(shuō)明傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配合理，為相關(guān)純電動(dòng)車研究提供了良好的理論模型。