级纯电动汽车动力系统匹配及仿真优化研究泰安航天特种车朱学斌等

1、A 级纯电动汽车动力系统匹配及优化研究朱学斌 1 ，刘庆 1,2，王振国 2，胡伟龙 2，李玉华 1（1：泰安航天特种车，山东泰安；2：合肥工业大学，合肥）摘要 本以某 A 级纯电动汽车作为研究对象，以整车的动力性和续驶里程作为设计指标，通过理论计算匹配并验证了动力系统的关键参数。随后利用 CRUISE 软件软件建立模型并进行了。结果表明汽车动力系统的选择和匹配是合理的。：纯电动汽车； 参数匹配；主要软件：AVL CRUISEA -Class Electric Vehicles Dynamic System Matching And Simulation Optimization Resear

2、chZhu Xuebing1, Liu Qing1,2, Wang Zhenguo2, Hu Weilong2,Li Yuhua11.Taian Aerospace Special Vehicle Co.,.,Taian,Shangdong;2. Hefei University of Technology, Hefei, Anhui;Abstract In this paper, a A-class electric vehicle is taken as the research object, and the vehicle'spower performance andage a

3、re taken as design targets. Through theoretical calculation, thekey parameters of power system are matched and verified. Then CRUISE simulation software isused to establish and simulate the simulation m.The simulation results show that the selectionand matching of automobile powertrain are reasonabl

4、e.Keywords: Electric Vehicles；parameter matching；simulationSoftware: AVL CRUISE1. 前言电动汽车以其良好的环保性能和较高的能源效率等优点成为汽车的主要发展方向瓶颈12。之一，但是在电动汽车的研究中，电池难题尚未攻克，电动汽车的发展和普及如何更好地匹配和优化电动汽车各个动力部件参数，对提高电动汽车动力性、增加其续驶里程具有重要意义。本文以某 A 级纯电动汽车开发为例，根据给定的设计指标及基本参数，通过理论计算初步确定了电机、动力电池以及传动系统的基本参数。最后使用 CRUISE 仿真软件建立了电动汽车模型并进行了。2

5、. 纯电动汽车的参数匹配计算2.1 纯电动汽车基本参数和设计指标电动汽车的动力性主要取决于动力系统的参数匹配，以及匹配之后的相关零部件的性 能，（包括驱动电机、动力电池、变速器等）。待研发的纯电动汽车的基本参数如表 1 所示。表 1 整车基本参数动力及性能设计指标如表 2 所示。表 2 整车动力性、性设计指标2.2 驱动电机参数选择与匹配驱动电机的参数选择与匹配包括电机的最大功率和额定功率、电机的最高转矩和额定转矩以及最高转速与额定转速等。2.2.1 电机的峰值功率和额定功率的匹配在设计电机参数时，应考虑其功率需求是在电机的稳定持续工作区还是短时工作区。一般来说，电动汽车整车动力性指标中最高车

6、速对应的为持续工作区，即最高车速需求功率对应电机的额定功率；而最大爬坡度和全力 时间对应的则是短时工作区（1-5min），即电umax、最大爬坡度max机的峰值功率。所以在选择驱动电机的功率时，主要依据最高车速和时间 t3。计算公式如下：C Au2u（1）+ Dmax ) 21.15P=max (mgfmax13600htC Au 2 ua （2）P=(mgf cosa+ mg sina+ Da ) 21.15max 23600hmaxmaxt1d mv 2t - dC A P=(m 1- ( mt )x+ mgfv + D v 3)（3）max33600h 3.6dmmt21 15ttm式中

7、，为汽车旋转质量换算系数，=1+1+2，一般取1.08；u为爬坡速度，取为15km/h；vm为末的速度（m/s）；tm为汽车的时间（s）；x取0.5；dt为迭代步长，通常取为0.1秒；t为传动系统机械效率，取为0.9。将表1和表2中的数据代入上面三个式中进行计算可得：Pmax1=18.9kW,Pmax2=14.3kW, Pmax3=36.3kW。所以最高功率Pmax=MAX Pmax1，Pmax2，Pmax3=36.3kW。考虑到一些附件的损耗，可取电机的峰值功率为45kW。电机的额定功率应满足最高车速的90%匀速巡航行驶的功率要求，即Pr=90%×Pmax1=17kW。可定额定功率

8、为18.5kW。此时的过载系数： =45/18.5=2.43,其取值范围一般是23，故满足要求。2.2.2 电机的峰值转速和额定转速的选择汽车用电机一般是高速电机，综合考虑功率密度、符合效率、电机质量、可靠性等因素， 选择电机的最高转速 nmax 为 9000rpm。电机的扩大恒功率区系数 的取值范围是 24，可取=3，则有电机的额定转速为:动力性最高车速（km/h）110时间（s）<10(0-50km/h)<15 (50-80km/h)最大爬坡度20%性等速 60km/h 续驶里程（km）150NEDC 循环续驶里程（km）100<15（等速 60km/h）百公里电耗（kW

9、h）<18（NEDC 工况）整备质量（kg）1200满载质量（kg）1500外形（mm）4155×1650×1445轴距（mm）2400轮胎半径 r（m）0.283迎风面积（m2）1 91风阻系数 CD0.32滚动阻力系数 f0.014= nmax= 3000rpmn（4）r32.2.3 电机的峰值转矩与额定转矩的计算电机的峰值扭矩为：T= 9550 pmax = 9550 ´45= 143.25Nm（5）maxn3000r电机的额定扭矩为：T = 9550 pr = 9550´ 18.5 = 58.89Nm（6）rn3000r2.2.4 电机的选

10、择根据车用电机特点、合理的过载系数，综合以上计算结果和分析，选用尤奈特永磁无刷直流电机，该电机主要性能参数如表 3。表 3 电机基本参数2.3 传动比的选定电动汽车的传动比对其动力性和和最大爬坡度的要求4。2.3.1 最小传动比的选取性有着显著的影响,传动比的选择应满足最高车速由电最高转速和最高行驶车速确定，即：i= 0.377 nmax r（7）minumax式中 r 为车轮半径，代入数据可得：imin8.73。2.3.2 最大传动比的选取由最大爬坡度和最大扭矩确定，即：= mg( f cosamax + sinamax )ri（8）Thmaxmax t代入数据可得：imax6.77。由于电

11、机具有较理想的外特性曲线，所以电动汽车不需要像传统汽车设置较多档位，只需一个主器即可，结合传动比的计算，初选传动比 i0=7.4。2.4 电池组参数选择锂电池有能量密度高、使用长、安全性好、可快速充电等优点，通过对比国内外各种锂离子电池的发展情况、相关产业政策、商品化、性能、安全性、一致性等综合因素，采用国内主流的磷酸铁锂动力电池。单体额定电压3.2V，最高电压为3.65V，最低电压为2.0V；单体标称容量 10A·h。2.4.1 选定电池组的总电压由于本文所选取的永磁无刷直流电机的工作电压为 288V，所以可以初步确定电池组的额定功率（kw）18.5最大功率（kw）45额定转速（r

12、/min）3000峰值转速（r/min）9000额定转矩（N*m）58.89最大转矩（N*m）143.25总电压为 288V，则需要串联的电池数为 288/3.2=90 串。2.4.2 计算锂离子电池组容量5假定汽车的速度行驶速度为 uetc（km/h），可得阻力功率为：C Au 2u=etc(mgf + Detc )Petc（9）3600ht21.15又：PetcP =（10）hmmSWroad = Pmt = Pm uWb ´xs o s= Wr o a（11）etc（12）式中：Petc 为汽车等速行驶所需的功率，取 uetc=60km/h；Wroad 为满足设计指标续驶里程汽

13、车消耗的能量；Pm 为电机功率；m 电机与电机器总成效率，此处取为 0.88；sos 为电池组放电深度，取为 0.8；S 为设计续驶里程，取为 150km。可得 Petc=5.74kW,Pm=6.52kW,Wb=20.875kW·h。电池组容量的表达式为：C = 1000Petc S Ubxsocuetchm（13）式中 Ub 为为电池组的平均工作电压;代入数据可得 C=70.78A·h，取 C=80A·h。根据以上计算，我们可以选定电池的组合方式为 8 并 90 串。磷酸铁锂电池组的基本参数如表 4 所示。表 4 磷酸铁锂离子电池组参数3 纯电动汽车动力系统选型

14、分析前面通过理论计算，初步选定了此微型纯电动汽车动力系统的基本参数。至于这些参数是否满足要求，我们还需要进行理论上的验证，理论验主要是通过理论计算来验证电机的峰值功率、峰值转矩、最高车速，汽车的3.1 电机功率分析时间以及续驶里程是否满足设计要求。本纯电动汽车的 30 分钟持续最高车速的设计值为 100km/h（约为 90%的最高车速），当汽车在 100km/h 匀速运行时，功率需求为6：2CD Auu（14）P1 = 3600h(mgf +)21.15t代入数据可得：P1=15.27kW<18.5kW。3.2 峰值转矩设车辆在爬坡时的车速为 15km/h，则验算车辆以 15km/h 最

15、大爬坡度的爬坡角计算如下：电机输出的最大驱动力为：额定电容（Ah）单节电压（V）总电压（V）电池节数103 2288720= Tmax i0ht （15）Fmaxr代入数据可得：Fmax=3371.2N。最大爬坡角为：Cu 2)F - (mgf +A（16）a t= arcsin= 12.410D maxmg则得到理论最大爬坡度为:100%×tanmax=22%>20%。车辆达到最大爬坡度时，电机的转速为：ui0（17）n = 1040rpm10.377r爬坡时电机输出的功率为：P = Tmax n = 15.57kw < 18.5kw（18）95503.3 最高车速分析

16、电机的转速达到最大时，汽车的车速最高。可计算得最高车速为 130km/h，大于 110km/h，满足设计要求。3.4时间验算时间计算公式如下7：起步过程可使用峰值扭矩对应的驱动力计算，起步v1d ´ m1t1 = 3.6 òC ´ A´ v2 dv0 Fmax - m ´ g ´ f -d21.15d ´ m v11ò æ=C ´ A ö3.6(- m ´ g ´ f )0 ç -v + F2D÷maxè21.15ø（19）代

17、入数据可得t1=6.6s<10s。当车速在50-80km/h时，车辆不能按照电机最大输出扭矩对应的驱动力计算，50-80km/h可以表示为：时，驱动电机能够在峰值输出功率条件下，峰值输出功率对应的驱动力Ft=PmaxT×3600/v求得驱动力的平均值为：（20）180 Pmax ´ 3600hT dv30 ò50F =tv（21）结合求t1的公式可得出t2=5.2s<15s。3.5 续驶里程验算等速 60km/h 续驶里程验算：Wb （22）S = u t = uetcetcPm代入数据可得 S=192.1km>150km。NEDC 续驶里程验算

18、：根据一般纯电动汽车的能耗要求，设计本车百公里耗能不得高于18kW·h，而电池的容量为 20.875kW·h，则汽车的 NEDC 续驶里程为：S = Wb ´100 = 116km > 100km Wr根据以上验证结果可知，电动汽车的参数匹配是合理的。(23)4AVL CRUISE 中的建模与CRUISE 是奥地利李斯特内燃机及测试设备公司开发的研究汽车动力性、燃油排放性能及制动性能的高级分析软件8，可以轻松实现对复杂车辆动力传动系统的性、分析，具有界面友好，用户容易理解、使用和掌握，结果分析直观、易懂，可以快速搭建各种复杂的动力传动系统模型，可同时进行正向

19、或逆向分析等优点9，现已成为世界范围内的受各大企业和高校亲睐的一款软件。4.1 整车模型建立根据动力传递路线: 电机主器差速器车轮，建立整车模型如图 1。正确连接好机械连接和电气连接，然后设定计算任务。由于主要是对动力性和性进行，所以需要设定的计算任务有：循环行驶工况和续驶里程计算（Cycle Run）(包括 NEDC 工况和等速 60km/h)、最高车速（Constant Drive）、最大爬坡度计算（Climbing Performance）、加速性能计算（Full Load Acceleration）。图 1 CRUISE模型图在 NEDC 循环工况设定时，由于一个 NEDC 工况行驶里

20、程为 10.93km11，而在第二节的选型分析中理论计算的NEDC 工况的续驶里程为116km，所以需要 116/10.93=10.6 个循环，为了使更加准确和可靠，编辑了 12 个循环，曲线如图 2：图 2 12 个 NEDC 工况曲线4.2结果分析4.2.1 最高车速由最高车速的大于 110km/h。结果结果（如图 3）可知，此纯电动汽车所能达到的最高车速是 129km/h，图 3 最高车速结果图4.2.2由性能性能结果可以查得：此纯电动汽车 0-50km/h 的时间为 5.4s，小于 15s。结果时间为 6.4s，小于 10s。50-80km/h 的超车4.2.3 续驶里程续驶里程分为等

21、速 60km/h 工况续驶里程和 NEDC 循环工况续驶里程。两种工况电池的初始 SOC 设为 95%，当 SOC 下降为 15%时，所行使的里程即工况的续驶里程。分别查看两种工况的续驶里程图可得：等速 60km/h 工况续驶里为 182km，大于 150km，NEDC循环工况续驶里程为 119km，大于 100km。4.2.4 最大爬坡度最大爬坡度的大于 20%。结果结果如图 4 示。当汽车的爬坡速度为 15km/h 时，最大爬坡度为 24%，图 4 爬坡度结果图4.3.5 百公里电耗结果查看结果信息中CRUISE.log 文件，可得等速60km/h 行使的百公里电耗为10.3kW·

22、;h，小于 15kW·h，NEDC 工况的百公里电耗为 15.36kW·h，小于 18kW·h。4.3 整车理论计算与结果对比将第一节的设计指标、第二节的选型分析和第三节的表 5 结果对比结果对比如表 5 所示。5 结语计算和结果表明，本文所选用的动力系统能满足最高车速、最大爬坡度、续驶里程等设计指标。分析表 5 可知只有等速 60km/h 续驶里程二者数据的差距较大，这是因为理论计算时用的是电池总的放电能量 Wb，而时电池的 SOC 只下降到 15%，所以结果会小于理论计算值。其他的结果和理论计算值都很接近，这说明了模型的正确性和可靠性，也体现了本次的选型是正确可取的。通过本文的研究，可为研究制动能量回收、电池管理等策略打下基本，也可为复杂的混合动力汽车研究奠定基础。参考文献1 姜立标，吴斌，冯骁，杨彦哲.电动汽车动力性参数的No12.设计与试验验证J,汽车工程，2011( Vol.33)2 Chan C C，Chau K T Modern Electric Vehicle Te