某純電動轎車動力系統(tǒng)匹配設計及CRUISE仿真研究

1、0 引言純電動汽車的車載動力源為驅動電機和動力電池，動力性和經濟性是主要的性能指標之。汽車的動力性主要是由汽車的最高車速、加速時間以及最大爬坡度1。合理的對其動力系統(tǒng)關鍵零部件的參數(shù)進行匹配不僅可以滿足純電動汽車整車的動力性要求，還可以提高純電動汽車的續(xù)駛里程，提高汽車的經濟性能。對純電動汽車的動力單元即驅動電機、動力電池等關鍵部件的選型與參數(shù)計算 , 純電動汽車電池、驅動電機以及傳動系各組成部分之間匹配程度，是影響汽車動力性的重要因素，也是提高汽車綜合性能并推動汽車節(jié)能的重要舉措之一2。avlcruise軟件可以實現(xiàn)對復雜車輛動力傳動系統(tǒng)的仿真分析和快速搭建各種復雜的動力傳動系統(tǒng)模型，并可同

2、時進行正向或逆向仿真分析3-4。通過建立系統(tǒng)的數(shù)學模型和仿真模型并對其實際工作狀況進行仿真分析，能夠很好地預測各種條件下的系統(tǒng)性能，從而不但可以事先靈活地調整設計方案，合理優(yōu)化參數(shù)，而且可以降低研究費用，縮短開發(fā)周期5-6。第 34 卷第 2 期2018 年 3 月森 林 工 程forestengineeringvol.34 no.2mar.，2018某純電動轎車動力系統(tǒng)匹配設計及 cruise 仿真研究崔淑華，遲云超（東北林業(yè)大學交通學院，哈爾濱 150040） 摘 要：開發(fā)和研究純電動汽車是解決環(huán)境污染及能源問題的重要手段之一，而動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設計是純電動汽車開發(fā)工作的基礎。本文基于一款

3、已知整車基本參數(shù)的純電動汽車，結合其動力性和經濟性的設計需求，通過理論計算完成其動力系統(tǒng)主要部件參數(shù)匹配的設計與選型；應用 cruise 仿真軟件建立整車模型，對動力性和經濟性進行仿真，通過分析仿真結果，證明理論計算的參數(shù)匹配合理，達到了設計目標要求，設計過程可為純電動汽車的動力系統(tǒng)設計開發(fā)提供參考。 關鍵詞：純電動汽車；參數(shù)匹配；cruise 仿真 中圖分類號：u270.2 文獻標識碼：a 文章編號：1006-8023(2018)02-0065-05research on power system matching and simulation of pure electric vehicl

4、e based on cruisecuishuhua,chiyunchao(schooloftraffic,northeastforestryuniversity,harbin150040) abstract:thedevelopmentandresearchofpureelectricvehiclesisoneoftheimportantmeanstosolveenvironmentalpollutionandenergyproblems,andthedesignofdynamicsystemparametermatchingisthebasisofpureelectricvehiclede

5、velopment.basedonaknownelectricvehiclewithbasicparameters,combinedwithitsdesignrequirementsofpowerandeconomy,thedesignandselectionofmaincomponentsmatchingofpowersystemiscompletedthroughtheoreticalcalculation.thecruisesimulationsoftwarewasusedtobuildavehiclemodeltosimulatethedynamicandeconomicperform

6、ance.byanalyzingthesimulationresults,itprovedthattheparametersofthetheoreticalcalculationmatchreasonablyandmeetthedesigngoal.thedesignprocesscanprovideareferenceforthedesignanddevelopmentofthepowersystemofpureelectricvehicles. keywords:pureelectricvehicle;parametermatching;cruisedynamicsimulation收稿日

7、期：2017-11-08基金項目：黑龍江省自然科學基金（e2016003）第一作者簡介：崔淑華，碩士，教授。研究方向：汽車節(jié)能減排技術。e-mail：引文格式：崔淑華，遲云超 . 基于 cruise 的純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真研究j. 森林工程 ,2018,34(2):65-69.森 林 工 程第 34 卷66本文應用 cruise 建立整車模型，對研究對象的動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設計進行仿真分析，從而驗證動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的可行性和合理性。1 動力系統(tǒng)匹配設計選取某一款對動力性有較高要求的純電動汽車進行設計研究。本文所研究的純電動汽車整車主要技術參數(shù)值見表 1。表 1 基本技術參數(shù)tab.1

8、 basictechnicalparameters整車參數(shù)數(shù)值整備質量 /kg1620滿載質量 /kg2050輪胎滾動半徑 r/m0.32滾動阻力系數(shù) f0.01空氣阻力系數(shù) cd0.32迎風面積 a/m22.34旋轉質量換算系數(shù)1.08整車動力傳動效率t0.93參考國家純電動車的試驗標準gb/t19596-2004，再結合市場生產要求，提出了本文對純電動汽車設計的性能指標，見表 2。表 2 性能要求tab.2 performancerequirements性能參數(shù)值最高車速 /kmh-1 160最大爬坡度 /% 30nedc 循環(huán)工況續(xù)航里程 /km14060km/h 等速循環(huán)工況續(xù)航里程

9、/km 2300100km/h 的加速時間 /s 81.1 驅動電機的參數(shù)匹配電動汽車驅動電機功率應能滿足電動汽車對最高車速、最大爬坡度以及加速時間的要求7。（1）由最高車速 umax確定最大功率 pmax1。最高車速是指在良好的路面（混凝土和瀝青）上汽車能達到的最高行駛速度?？紤]最高車速的情況下，車輛在平坦路面上受到的阻力主要是空氣阻力和滾動阻力，因此該工況下可得汽車的功率平衡方程式為：2maxmaxmax1u=360021.15dtc aupmgf+。（1）（2）根據(jù)加速性能確定最大功率。依據(jù)動力學方程，其加速過程總功率為allfwjpf uf uf u=+。（2）加速末時刻汽車的輸出功率

10、達到最大。因此，加速過程最大功率為( )maxmallallt tppt=-3=3600360076140 xmmmdmmmtmttmutdtmgfuc auuudtt+。式中：mu為末速度；mt為加速時間。加速末時刻的最大功率與其平均功率接近，因此，對上式進行積分求，可表示為。（3）根據(jù)最大爬坡度計算最大功率max3p。在車輛爬陡坡時由于車速較低，不考慮車輛的空氣阻力和加速阻力，爬坡時的功率公式為：()max3maxmaxcossin3600itupmgfmg=+。式中：ui為爬坡過程的均速度，取 30km/h。將整車參數(shù)代入上述各公式得出max1max2max352.02,138.62,5

11、3.44pkw pkw pkw=max1max2max352.02,138.62,53.44pkw pkw pkw=綜合考慮以上動力性指標要求，該純電動汽車動力系統(tǒng)功率需求應滿足：()maxmax1max2max3max,=138.62kwpppp。驅動電機的額定功率可根據(jù)峰值功率求得，可根據(jù)公式（3）求出：=maxpp額。（3）電機的過載系數(shù)一般按=1.528計算，本文中取 2。代入公式（3）則相應的電機的額定功率p額()max1max2max3max,ppp70kw。根據(jù)計算結果和電機廠商的生產能力，最后確定選擇美國 cleanwave 電機 , 額定功率 90kw，峰值功率為 150kw

12、。純電動轎車為滿足160km/h的最高車速要求，結合實際電機產品類型，選擇驅動電機的最高轉速為 n峰=15000r/min。驅動電動機的最高轉速與它的額定轉速的比值也稱電機擴大恒功率區(qū)系數(shù)，一般取 239，驅動電機最高轉速和額定轉速的關系為第 2 期崔淑華等：某純電動轎車動力系統(tǒng)匹配設計及 cruise 仿真研究67=nn峰額。（4）這里的取 2，因此驅動電機的額定轉速應在375010000r/min8。結合目前實際驅動電機產品型號，額定轉速確定為 7500r/min。驅動電機的額定轉矩可由電機的額定轉速與額定功率求得，計算公式為：9550ptn=。（5）式中：t為驅動電機的轉矩，nm將參數(shù)帶

13、入公式（5）計算驅動電機的額定轉矩 t額=115nm，電機具有短暫的過載能力，根據(jù)前面提供的過載系數(shù)最后確定電機的峰值轉矩 t峰=215nm。根據(jù)計算結果，結合驅動電機產品實際，確定本設計所需驅動電機的性能參數(shù)見表 3。表 3 驅動電機參數(shù)tab.3 drivesthemotorparameters交流異步電機參數(shù)值額定功率 /kw90峰值功率 /kw150額定扭矩 /nm115最大扭矩 /nm215額定轉速 /（rmin-1）7800最高轉速 /（rmin-1）150001.2 動力電池參數(shù)匹配動力電池組電壓級別與電機工作電壓相匹配，確定為 380v。其次，根據(jù)設計目標，以 60km/h勻速

14、行駛 230km 為達到續(xù)航里程的要求對動力電池參數(shù)進行匹配9。勻速行駛時純電動汽車需求的功率為2=360021.15dtc auupmgf+。（6）式中：u=60km/h，帶入 p=5.51kw。純電動車的需求能量：s= = avgwptpu。（7）計算得到avgw=23.88kwh。avgaddwww=+。（8）式 中：addw為 電 動 附 件 所 耗 的 電 量（ 總 量 的20%），將參數(shù)代入上述公式得 w=29.85kwh。esssoc=w w。式中：essw為電池組實際釋放能量；soc為電池組有效放電容量系數(shù)，一般取 0.8，計算得essw=37.31kwh。根據(jù)電池總能量可以求

15、出電池容量，計算公式：ess=1000ucw。（9）式中：u為電池組工作電壓；c 為電池組的容量。計算電池容量 c=98.18ah。選擇的動力電池為三元鋰離子電池，根據(jù)廠家現(xiàn)有產品的規(guī)格參數(shù)，確定仿真車型的動力電池參數(shù)見表 4。表 4 動力電池參數(shù)tab.4 dynamicbatteryparameters三元鋰離子電池參數(shù)值額定總電壓 /v380單個電壓 /v3.7電芯容量 /ah115電池包總重 /kg4001.3 傳動系速比的匹配汽車傳動系傳動比的選擇對汽車的動力性與燃油經濟性有很大影響。純電動車也是如此，必須充分考慮到滿足這兩個基本性能的要求。傳動比主要是變速器和主減速器速比匹配的確定

16、。最大傳動比主要取決于最大爬坡度，最小傳動比主要取決于最高車速10-12。（1）最小傳動比的確定考慮到驅動電機特性及轉速、驅動力、車速的關系，以最高車速和電機最高轉速確定最小傳動比。maxmax0.377nriu。（10）式中：i為總的傳動比；maxn為驅動電機最高轉速，r/min；r為車輪半徑，m。（2）最大傳動比的確定考慮三方面的問題：最大爬坡度、附著率及汽車最低穩(wěn)定車速。當主減速器速比已知時，變速器最大傳動比即為一檔傳動比13。忽略汽車爬坡時的空氣阻力，汽車的最大驅動力應為：max1 0maxmaxcossintqgtti igfgr=+。即森 林 工 程第 34 卷68()maxmax

17、maxcossintqtg frit+。（11）將整車參數(shù)代入公式（10）、（11）計算得：max11.62i，min9.81i。結合制造商條件和實際產品的規(guī)格，確定總傳動比i=11.32。目前純電動汽車產品，尤其是小型的轎車車型上采用了固定速比的一檔減速器與主減速器共同起到對電機輸出的減速增扭作用14-15，所以本文選取一檔變速器為仿真目標。根據(jù)車速與傳動比關系，用最高車速確定主減速器的傳動比為 i0=1，即 ig=11.32 為固定速比的減速器。2 cruise整車模型建立與仿真研究2.1 整車模型的建立應用 cruise 軟件對汽車的動力性、經濟性、制動性以及排放性能進行仿真分析，建立的

18、整車模型如圖 1 所示，關鍵部件仿真設置參數(shù)如圖 2所示。圖 1 整車模型的搭建fig.1 constructionofvehiclemodel2.2 整車仿真結果分析2.2.1 經濟性仿真分析循環(huán)工況仿真分析。采用了（nedc）循環(huán)工況和 60km/h 等速工況模擬行駛進行仿真分析，soc 仿真曲線如圖 2 所示，循環(huán)工況仿真結果如圖 3 所示。目標車輛行駛平順性良好，soc 下降曲線穩(wěn)定，并且停車時 soc 沒有明顯的突變，停車時電機隨即停止運行，不消耗能量，減少動力源做無用功，做到真正的節(jié)能減排16-17。02000400060008000100001200014000160001204

19、00140100500-50700-702000-200-400600-60-120電池容量 /ah電壓 /v電壓 /v電流 /a電池容量 /ah剩余電量 /%時間 /s電流 /a剩余電量 /%圖 2 （nedc）循環(huán)工況電流、電壓、soc 仿真變化曲線fig.2 curveofcurrent,voltageandsocofcirculatingoperatingconditions1800000.010.0050-0.005020004000600080001000012000014000900000-90000-180000時間 /s行駛距離 /m轉速 _ 限制 /(kmh-1)行駛距離

20、/m轉速 _ 限制 /(kmh-1)圖 3 （nedc）循環(huán)工況仿真結果fig.3 (nedc)simulationresultsofcycleconditions兩個循環(huán)工況均以動力電池剩余電量 soc 為起始條件，考慮到動力電池的充放電特性，在cruise 仿真任務中設置電池的 soc 從 90% 為起始。兩個循環(huán)工況均順利完成，通過整個循環(huán)工況汽車行駛的總距離來觀察整車續(xù)航里程，各循環(huán)工況仿真結果如圖 4 所示。2500000.010.0080.0060.0040.0020-0.002-0.004-0.006-0.008200000150000100000500000-50000-100

21、000-150000-200000-250000030006000900012000行駛距離 /m轉速 _ 限制 /(kmh-1)時間 /s行駛距離 /m轉速 _ 限制 /(kmh-1)圖 4 60km/h 等速工況循環(huán)仿真結果fig.4 cyclesimulationresultsof60km/hconstantspeedcondition第 2 期崔淑華等：某純電動轎車動力系統(tǒng)匹配設計及 cruise 仿真研究692.2.2 動力性仿真分析（1）百公里加速時間仿真分析。由電機外特性可知，基速之前電機恒轉矩工作，并且以最大轉矩輸出；基速之后電機恒功率工作，平緩達到最大有效功率。根據(jù)所選驅動電

22、機的轉矩、轉速，預設達到最大的動力性結果，通過 cruise 軟件仿真result 報告可知，該車輛在全負荷加速任務下，起步加速至 100km/h 所用時間為 7.39s。仿真結果如圖 5 所示。車速檔位時間距離轉速圖 5 百公里加速fig.5 100kmacceleration（2）最高車速仿真分析。cruise 仿真結果如圖 6 所示。得到車輛的最高車速為 180km/h，達到設計目標。190.0180.0170.0160.0150.0140.0130.0120.0110.0100.090.080.070.060.050.040.030.020.010.00-6.006.012.018.0

23、24.030.036.042.048.054.060.066.072.078.084.090.096.0102.時間 /s汽車車速 /(kmh-1)汽車車速 /(kmh-1)圖 6 最高車速仿真結果fig.6 topspeedsimulationresults（3）最大爬坡度仿真分析。根據(jù)國家電動車試驗標準gb/t19596-2004，爬坡試驗整個仿真過程中曲線變化平緩無明顯波動。仿真結果如圖 7 所示。2.2.3 整車仿真結果與目標參數(shù)對比分析通過 avlcruise軟件建立模型，進行仿真行駛并得到仿真結果，與目標參數(shù)進行對比分析，仿真結果均以超過設定目標參數(shù)值。33.030.027.024

24、.021.018.015.012.09.06.03.0010.020.030.040.050.060.070.080.090.0100.0110.0120.0130.0140.0150.0160.0170.爬坡度 /%車速 /(kmh-1)爬坡度 /%圖 7 爬坡度仿真結果fig.7 simulationresultsofgradient表 5 整車仿真結果與目標車型參數(shù)對比表tab.5 comparisontableofvehiclesimulationresultsandpresettargetparameters指標目標參數(shù)值仿真結果nedc 工況續(xù)航里程 /km140165.7460k

25、m/h 等速續(xù)航里程 /km230248.288百公里加速時間 /s 87.39最高車 /（kmh-1）160180最大爬坡 /%30313 結論本文以某純電動車的動力需求為目標，完成了動力系統(tǒng)參數(shù)的匹配計算，應用cruise軟件建立整車模型，進行了循環(huán)工況、百公里加速時間、最高車速以及最大爬坡度的仿真分析。通過將仿真結果與目標值對比分析，驗證匹配方案的合理性與可靠性。【參 考 文 獻】1王志福 .電動汽車電驅動理論與設計m.北京：機械工業(yè)出版社 ,2012.2 周勝.純電動汽車動力性及經濟性分析 d .長沙：湖南大學,2013.3avlcruiseversion3.0usersguideg.

26、avllistgmbh,2005.4劉振軍 ,趙海峰 ,秦大同 .基于 cruise 的動力傳動系統(tǒng)建模與仿真分析j.重慶大學學報 : 自然科學版 ,2005,28(11):8-11.5高大威 ,金振華 ,盧青春 .基于 matlab 的燃料電池汽車動力系統(tǒng)仿真j.系統(tǒng)仿真學報 ,2005,17(8):1899-1901.（下轉 80 頁）森 林 工 程第 34 卷80橋而言，內力分布方式隨著上錨固點的位置變化的趨勢基本一致，僅僅是幅值大小的不同。（3）環(huán)向索可以改善內側獨塔單索面單邊受拉曲線斜拉橋的內力分布，但是對于外側獨塔單索面單邊受拉曲線斜拉橋而言，效果不明顯。【參考文獻】1馮先沛 .

27、曲線型斜拉橋簡介j. 中國鐵路 ,1979(21):22-24.2劉蓬風 . 一座 s 形曲線斜拉橋的抗風抗震分析和設計j.世界橋梁 ,1990(1):46-54.3takenouchik.singlepylonsforcurvedcable-stayedbridgesj.structuralengineeringinternational,1998,8(4):269-272.4brownjohnjmw,leej,cheongb.dynamicperformanceofacurvedcable-stayedbridgej.engineeringstructures,1999,21(11):10

28、15-1027.5孫傳洲 . 曲線斜拉橋的實橋試驗、模型試驗及結構分析j.國外橋梁 ,2001(1):15-19.6李正仁 ,劉祖國 . 曲線斜拉橋的應用與展望j. 鋼結構 ,2003,18(6):43-45.7馬路 ,張崇厚 . 一單索系曲線斜拉橋的結構分析j. 河北建筑科技學院學報自然科學版 ,2007,24(2):4-7.8康厚軍 , 趙躍宇 , 楊相展 . 彎斜拉橋中索的主共振研究j.工程力學 ,2008(11):86-91.9孫測世 ,童建勝 ,周水興 . 曲線斜拉橋錨固點與支座偏移受力影響j. 重慶交通大學學報 ( 自然科學版 ),2009,28(3):492-496.10劉鐵林

29、, 許傳貴 , 劉泓 . 斜拉彎橋有限元分析模型的對比研究 j .沈陽建筑大學學報(自然科學版),2010,26(5):838-842.11劉樂天 . 獨塔單索面曲線地鐵斜拉橋關鍵技術研究j. 都市快軌交通 ,2011,24(6):72-76.12丁磊 ,單宏偉 ,鄭紀研 . 獨塔雙索面曲線斜拉橋鋼箱梁設計j. 現(xiàn)代交通技術 ,2011,8(2):44-46.13辛連春 . 一單索面曲線斜拉人行橋結構的分析與設計a.2011 全國鋼結構學術年會論文集c. 北京 : 中國鋼結構協(xié)會 ,2011:154-158.14bursios,kumara,abbiatig,etal.identification,modelupdating,andvalidationofasteeltwindeckcurvedcablestayedfootbridgej.computer-aidedcivilandinfrastructureengineering,2015,29(9):703-722.15徐佰順 ,錢永久 ,李豹 ,等 . 大跨徑曲線矮塔斜拉橋參數(shù)敏感性分析j. 世界橋梁 ,2016,44(