基于+CRUISE+的纯电动汽车动力系统参数匹配与仿真.docx
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基于+CRUISE+的纯电动汽车动力系统参数匹配与仿真
基于+CRUISE+的纯电动汽车动力系统参数匹配与仿真
————————————————————————————————作者：
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第２９卷第３
期
安徽工程大学学报
Vol．２９．No．３
２０１４
年
９
月
JournalofAnhuiPolytechnicUniversity
Sep．２０１４
１６７２-２４７７２０１４０３-００４９-０５
文章编号:
（）
基于CRUISE的纯电动汽车动力系统参数匹配与仿真
牛明强,郭兴众∗,孙驷洲,李慧媛
（安徽工程大学安徽省检测技术与节能装置重点实验室,安徽芜湖２４１０００）
摘要:
开发和研究纯电动汽车是实现节能减排目标的重要手段之一．针对一款已知基本技术参数的电动汽车,根据该车动力性和经济性设计要求,基于理论计算对主要部件参数进行匹配设计,然后采用CRUISE软件搭建整车模型,对整车性能仿真分析．通过结果分析,证明理论设计参数满足设计要求,验证该方法的可行性,为
纯电动汽车进一步设计研究提供理论依据
．
CRUISE
仿真
关键词:
纯电动汽车;参数匹配;
V４６２．３＋１V４６２．３＋４
A
中图分类号:
文献标识码:
动力性和经济性是汽车重要的性能指标．动力性能通常用最高车速、加速时间和爬坡能力予以评价,经济性能通常用等速行驶与城市工况运行整车续驶里程予以评价[１]．合理良好的整车参数匹配方法不仅可以满足整车的动力性要求,而且可以提高车辆续驶里程,提升车辆经济性能．使用专业汽车仿真软件搭建所开发车辆的模型,对整车主要性能进行仿真分析,缩短其开发周期,降低开发成本[２]．
纯电动汽车以车载能源（动力电池、超级电容等）为储能动力源,具有零排放、低噪声、应用成本低等优点,是汽车行业未来的主要发展方向．本文以某一款纯电动汽车开发为例,根据纯电动汽车理论设计原理,对整车参数进行匹配计算,并采用CRUISE软件搭建整车模型,对其动力性、经济性进行仿真分析研究．
１参数匹配计算
纯电动汽车动力系统参数匹配的主要任务是完成动力系统部件的选型和参数确定,即确定电机、电池
．
１
．
以及变速器的型式及其关键特征参数本文选取某电动汽车为研究对象,整车关键参数如表
所示根据
设计要求,本文设计的纯电动汽车性能指标如表２所示．
表
１
纯电动汽车关键参数
技术参数
参数值
技术参数
参数值
技术参数
参数值
外形尺寸/mm
４１５５∗１６５０∗１４４５
迎风面积/m２
２．６
风阻系数
０．３０
轴距/mm
２４００
整备质量/kg
１５５０
滚动阻力系数
０．０１
车轮滚动半径/mm
３０７
满载质量/kg
１８５０
表
２
纯电动汽车性能指标
动力性
经济性
最高车速
最大爬坡度
０~１００km/h
６０km/h
NEDC
/（/）
/（）
加速时间/（）
续驶里程/（）
续驶里程/（）
kmh
％
s
km
km
１２５
３０
１５
１４０
１００
１．１
电机参数匹配
驱动电机是纯电动汽车唯一的动力来源,是决定整车动力性与经济性的关键因素之一．选择电动汽车的驱动电机,需要匹配的参数主要有电机的类型、功率、转速和转矩等．电动汽车驱动电机功率应能满足电动汽车对最高车速、最大爬坡度以及加速时间的要求[３]．
（１）最高车速时,忽略坡度阻力,车辆主要受到滚动阻力和风阻的影响,最大需求功率为:
收稿日期:
２０１４-０４-１０
基金项目:
安徽省自然科学基金资助项目（１４０８０８５ME１０５）作者简介:
牛明强（１９８９-）,男,安徽淮北人,硕士研究生．通讯作者:
郭兴众（１９６２-）,男,安徽阜阳人,教授,硕导．
５０
安
徽
工
程
大
学
学
报
第
２９
卷
u
max
⎛
CDAu２
⎫
（）
Pv＝
çmgf＋
max
⎪
．
３６００η
⎝
⎭
１
２１１５
式中u
为最高车速CD为空气阻力系数
η
为传动系效率本文取
＝．f为滚动阻力系数A为迎
max
（
０９）,
风面积．
/）爬上一定坡度jmax
时,最大需求功率为:
（）汽车以某一速度uα（本文取uα＝
２
uα
⎛
２０kmh
CDAuα２⎫
（）
Pi＝
çmgf
αmax＋mg
αmax＋
⎪
．
３６００η
⎝
cos
sin
．⎭
２
式中,αmax
＝jmax．
２１１５×２５
arctan
（３）车辆加速过程中,忽略坡路阻力,所受到的阻力主要包括滚阻、风阻以及加速阻力,加速后期所需功率最大,最大需求功率为:
um
⎛
１
CDAum２
um⎫
（）
Pj＝
çmgf
tm＋
tm＋δm
⎪
２１１５
２５
η
⎝
１５
２
tm⎭
３
３６００
tm
．
．×
．
式中,um为加速末汽车速度,tm为加速时长,δ为旋转质量换算系数．
电动汽车驱动电机最大功率应能同时满足不同工况下的工况需求,即大于汽车对最高车速、爬坡度以及加速时间的功率要求,所以驱动电机最大功率Pmax需满足条件为:
Pmax
≥max
{Pv,Pi
Pj},
４
（）
Pmax＝λP额
５
３０５３kW
７２６kW
（）
将本文研究汽车相关参数带入上述式中得出Pv＝
３０１kW
Pi＝
Pj＝
．因此电机最大功
．
．
．
率可选Pmax＝
７３kW
１２０kmh
．一般取我国道路最高限速（
/）的稳定行驶功率作为电机额定功率下限值[４],
本文取P额＝
３０kW
５
２４３
．由式（）计算可知,电机过载系数λ＝．．
驱动电机最大转矩Tmax需要满足汽车起步转矩和最大爬坡度转矩需求．在确定驱动电机最大转矩时,
认为汽车以恒定速度行驶,则此时车辆行驶方程为:
（）
Ft＝Ff＋Fw＋Fi
即
６
Tmaximaxη
m
α
＋
１
ACDuw２
＋
m
g
α
（）
rd
＝gf
cos
sin
２
７
因此,电机最大转矩为:
１
⎡
ACDuα２＋m
⎤
⎢⎢mgfα＋
αçç
Tmax＝
⎣
cos
２
gsin
⎦
rd,
（）
imax
８
式中,rd/（m）为轮胎滚动半径,imax为最大传动比．
η
永磁同步电动机结构简单、体积小、效率高,且永磁同步电机驱动系统在控制方式上可实现数字化,结构上可实现电机与齿轮箱一体化．基于以上优点,永磁同步电机被广泛应用于各种电动汽车驱动系统
中[５]．据此,本文选择富奥汽车零部件股份有限公司生产的永磁同步电机主要性能参数如表３所示．
表３电机主要性能参数
电机类型
额定功率
额定转速
额定转矩
额定电压
最大功率
最大转速
最大转矩
（）
（/）（
m
）
（）
（）
（/）（
m
）
kW
rmin
N
V
kW
rmin
N
永磁同步电机
３０
３５００
８２
３２０
７３
９０００
１９９
１．２
动力电池参数匹配
相比传统的铅酸电池,锂电池具有较高的能量密度,且有循环使用寿命长、安全系数高等优点,被广泛应用在纯电动汽车和混合动力汽车上．通过综合分析多种形式的锂电池组的安全性与存储性能等,本文选择磷酸铁锂离子电池组作为该车的储能装置．
电池组电压等级应与电机工作电压相匹配,确定该车电池组电压等级U０＝３２０V．根据整车设计目标要求,在电池组有效放电容量内,汽车以６０km/h等速运行的续驶里程S至少为１４０km．电动汽车以uele匀速行驶,电池负载功率为:
第３期牛明强,等:
基于CRUISE的纯电动汽车动力系统参数匹配与仿真５１
Pele＝
uele⎛
CDAuele２
⎫
çmgf＋
⎪
２１．１５
３６００ηTηconηbat⎝
⎭
式中Pele为电池负载功率ηT为传动系效率ηcon为电机效率
ηbat为电池组放电效率．
等速uele条件下,满足一定行驶距离S所需能量为:
PeleS
Wroad＝Pele×t＝uele
（９）
（１０）
电池组能量需要符合的要求为Wele＞Wroad．
动力电池在一定的放电深度下,所能放出的额定能量为:
UCsoc
Wele
＝
０ξ
（
）
（
１０００
）
１１
式中ξsoc为电池组有效放电容量本文取
０８
１５％~９５％
．
．
１０
１１
）可得满足汽车续驶里程条件下动力电池组容量为:
由式（
）与式（
C＝
１０００PeleS
（
）
U
socUele
１２
０ξ
１５％
．
同时,本文还考虑到在实际运行时,汽车耗电附件耗电量约占整车耗电量
左右将相关参数带入
计算确定电池组总电压为U０＝３２０V,容量C＝６０Ah．本文确定的电池组具体参数信息如表４所示．
表
４
电池组主要参数
电池组类型
名义容量/（Ah）
单体标称电压/（V）
总电压/（V）
电池节数
磷酸铁锂离子电池组
６０
３．２
３２０
１００
１．３传动比匹配
在电机输出特性一定时,电动汽车传动比的选择应满足汽车动力性能的要求,即应满足汽车最高期望车速umax、最大爬坡度αmax以及加速时间tm的要求[６-７]．本文所研究的电动汽车采用固定速比单档减速器驱动车轮行驶,以提高传动效率及能源的利用率．
传动系传动比的上限主要是根据发动机或者电机最高转速和车辆的最高车速共同确定的,其计算公式为:
imax＝．
nmaxrd
０３７７
umax
i＝i０ig,
其中,nmax/（r/min）表示电机最高转速,umax表示汽车的最大速度,i０传动比．
（１３）
（１４）
为主减速器传动比,ig为单级减速器
对于传动系传动比下限的计算,主要由车辆设计最大爬坡度和电机最大转矩确定的,其计算公式为:
imin＝Fimaxrd,
（
）
ηTmax
１５
其中,Fimax表示最大坡度行驶时车辆所受阻力,Tmax表示电机最大输出转矩．
根据式（１４）和式（１５）综合考虑,该汽车总传动比为８．３,主减速器传动比取４．３２２,单档减速器传动比为１．９２．
２AVLCRUISE建模与仿真分析
２．１仿真模型建立
CRUISE软件是一种针对汽车动力性、经济性进行分析的软件,采用模块化的设计方法,可以搭建多种结构形式的汽车传动系统模型,并可针对性地制定多种汽车性能仿真任务．本文整车模型模块选用整车模块、驾驶室模块、单级减速模块、电机、电池、车轮和制动器等模块,车辆模型如图１所示．
２．２仿真结果分析
（１）循环工况下整车特性分析．本文采用新欧洲循环工况（NEDC）,基于准静态仿真,循环过程整车速度与瞬态电耗如图２所示．由速度曲线可知,匹配后的车速满足NEDC工况要求,跟随速度良好,行驶平稳,对应SOC变化也较为稳定．由SOC曲线可知,在工况运行前期,车速较低,电机需求功率较小,SOC水
５２
安
徽
工
程
大
学
学
报
第
２９
卷
平下降缓慢;在工况运行后期,随
着汽车速度增大,电机需求功率较大,SOC下降迅速;停车时
SOC没有明显变化,这是因为针对纯电动汽车电机无需怠速运转,停车时电机随即停止运行,不消耗能量．
（２）加速工况分析．加速过程中,电机功率与车速变化如图３所示．驾驶员对目标功率需求越来越大,电机功率随之增大,直至达到电机最大有效功率．加速前期,
车速变化迅速;加速后期,电机达
图１
整车CRUISE模型
到最大功率后,车速变化逐渐趋
．
CRUISE
软件的
re-
于平缓根据
sult报告,得到该车具体的全负
荷加速任务结果,具体数据如表５
．
５
可知,该车由静止加
所示由表
速至１００
km/h所需时间为
１４．８５s,行驶距离为２４０．０７m．
（）最大爬坡度结果分析汽
图
２NEDC
工况车速与
SOC
变化图
图
３
加速工况车速与电机功率图
３
．
车最大爬坡度是汽车动力性能的
一个重要指标,本文匹配对象的爬坡度曲线如图４所示．由图４可知,该车在速度为２０km/h时,最大爬坡度为３２．６８％．在实际车速小于电机额定转速所对应的车速时,电机运行在恒扭矩工作区间,输出的最大扭矩恒定,所以汽车最大爬坡度变化很小;在实际车速大于电机额定转速所对应的车速时,电机运行在恒功率工作区间,输出的最大功率保持恒定,所以车辆最大爬坡度随车速的增加而不断减小．
表５０~１００km/h加速时间
车速/（/）
时间/（）
距离/（）电机转速/（/
）车速/（/）
时间/（）
距离/（）电机转速/（/）
kmh
s
m
rmin
kmh
s
m
rmin
２０
２．２９
６．０５
１４３４．４３
８０
１０．２０
１２３．１７
５７３７．４３
４０
４．４８
２４．４３
２８６８．５９
１００
１４．８５
２４０．０７
７１７１．４８
６０
６．８５
５７．５２
４３０２．８９
（４）最大速度结果分析．该车最高车速曲线如图５所示,根据CRUISE软件的result报告,可得该车最大速度为１２６km/h．满足本文整车最大速度１２５km/h的设计要求．
（５）续驶里程结果分析．该车以６０km/h车速匀速行驶的电池SOC变化曲线如图６所示．本文电池组有效容量为８０％,根据CRUISE软件的result报告查知,该车SOC为１５％时,续驶里程为１４４．６７km,满
足整车设计要求１４０km．NEDC循环工况时,由循环工况下整车特性分析可知,一个循环工况电池组SOC变化量．计算可得NEDC循环工况续驶里程为S＝１０９．７km．
（６）仿真结果与设计目标对比．本文针对开发车型的CURISE仿真结果与开发前的设计目标对比结果如表６所示．由表６可知,经过理论设计匹配的整车传动系统参数满足设计要求．
表
６
整车设计目标与仿真结果对比表
指标
设计目标
仿真结果
指标
设计目标
仿真结果
最高车速/（/）
１２５
１２６
/
续驶里程/（）
１４０
１４４．６７
kmh
６０kmh
km
％
３０
３２．６８
NEDC
km
１００
１０９．７
最大爬坡度/（）
工况续驶里程/（）
/
加速/（）
１５
１４．８５
０~１００kmh
s
第３期牛明强,等:
基于CRUISE的纯电动汽车动力系统参数匹配与仿真５３
图４汽车爬坡度曲线图５车辆最高车速曲线图６６０km/h定速行驶SOC变化曲线
３结论
本文首先对一款处于纯电动汽车的传动系关键部件参数进行设计,然后对其进行建模和仿真．通过建立NEDC工况巡航、最大速度、最大爬坡度和加速度任务得出该车动力性指标,通过建立６０km/h等速行驶和NEDC工况巡航任务得出该车经济性指标．仿真结果显示,匹配后的动力系统满足设计要求．本文为电动汽车的参数匹配提供了一种有效的方法参考,也为后续电动汽车的结构优化和控制策略等深入研究奠定了模型基础．
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ParametermatchingandsimulationforthepowertrainofpureelectricvehiclebasedonCRUISE
NIUMing-qiang,GUOXing-zhong
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