基于+CRUISE+的純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真

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1、第２９ 卷第３ 期 安 徽 工 程 大 學(xué) 學(xué) 報 Vol．２９．No．３ ２０１４ 年 ９ 月 Journal of Anhui Polytechnic University , Sep．２０１４ １６７２-２４７７ ２０１４ ０３-００４９-０５ 文章編號: ( ) 基于 CRUISE 的純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真 牛明強(qiáng),郭興眾? ,孫駟洲,李慧媛 (安徽工程大學(xué)安徽省檢測技術(shù)與節(jié)能裝置重點(diǎn)實(shí)驗室,安徽蕪湖 ２４１０００) 摘要:開發(fā)和研究純電動汽車是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的重要手段之

2、一．針對一款已知基本技術(shù)參數(shù)的電動汽車,根據(jù)該車動力性和經(jīng)濟(jì)性設(shè)計要求,基于理論計算對主要部件參數(shù)進(jìn)行匹配設(shè)計,然后采用 CRUISE 軟件搭建整車模型,對整車性能仿真分析．通過結(jié)果分析,證明理論設(shè)計參數(shù)滿足設(shè)計要求,驗證該方法的可行性,為 純電動汽車進(jìn)一步設(shè)計研究提供理論依據(jù) ． CRUISE 仿真 關(guān) 鍵 詞:純電動汽車;參數(shù)匹配; V４６２ ．３＋１ V４６２ ．３＋４ A 中圖分類號: , 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: 動力性和經(jīng)濟(jì)性是汽車重要的性能指標(biāo)．動力性能通常用最高車速、加速時間和爬坡能力予以評價,經(jīng)濟(jì)性能通常用等速行駛與城市工況運(yùn)行整車

3、續(xù)駛里程予以評價[１ ]．合理良好的整車參數(shù)匹配方法不僅可以滿足整車的動力性要求,而且可以提高車輛續(xù)駛里程,提升車輛經(jīng)濟(jì)性能．使用專業(yè)汽車仿真軟件搭建所開發(fā)車輛的模型,對整車主要性能進(jìn)行仿真分析,縮短其開發(fā)周期,降低開發(fā)成本[２ ]． 純電動汽車以車載能源(動力電池、超級電容等)為儲能動力源,具有零排放、低噪聲、應(yīng)用成本低等優(yōu)點(diǎn),是汽車行業(yè)未來的主要發(fā)展方向．本文以某一款純電動汽車開發(fā)為例,根據(jù)純電動汽車?yán)碚撛O(shè)計原理,對整車參數(shù)進(jìn)行匹配計算,并采用 CRUISE 軟件搭建整車模型,對其動力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析研究． １ 參數(shù)匹配計算 純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的主要任務(wù)是完

4、成動力系統(tǒng)部件的選型和參數(shù)確定,即確定電機(jī)、電池 ． １ ． 以及變速器的型式及其關(guān)鍵特征參數(shù)本文選取某電動汽車為研究對象,整車關(guān)鍵參數(shù)如表 所示根據(jù) 設(shè)計要求,本文設(shè)計的純電動汽車性能指標(biāo)如表２ 所示． 表 １ 純電動汽車關(guān)鍵參數(shù) 技術(shù)參數(shù) 參數(shù)值 技術(shù)參數(shù) 參數(shù)值 技術(shù)參數(shù)

5、 參數(shù)值 外形尺寸/mm ４ １５５ ?１ ６５０ ?１ ４４５ 迎風(fēng)面積/m２ ２．６ 風(fēng)阻系數(shù) ０．３０ 軸距/mm ２ ４００ 整備質(zhì)量/kg １ ５５０ 滾動阻力系數(shù) ０．０１ 車輪滾動半徑/mm ３０７ 滿載質(zhì)量/kg １ ８５０ 表 ２ 純電動汽車性能指標(biāo)

6、 動力性 經(jīng)濟(jì)性 最高車速 最大爬坡度 ０ ~１００ km/h ６０ km/h NEDC /( / ) /( ) 加速時間/() 續(xù)駛里程/( ) 續(xù)駛里程/( ) km h ％ s km km １２５ ３０ １５ １４０ １００ １．１ 電機(jī)參數(shù)匹配

7、 驅(qū)動電機(jī)是純電動汽車唯一的動力來源,是決定整車動力性與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素之一．選擇電動汽車的驅(qū)動電機(jī),需要匹配的參數(shù)主要有電機(jī)的類型、功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等．電動汽車驅(qū)動電機(jī)功率應(yīng)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[３ ]． (１)最高車速時,忽略坡度阻力,車輛主要受到滾動阻力和風(fēng)阻的影響,最大需求功率為: 收稿日期:２０１４-０４-１０ 基金項目:安徽省自然科學(xué)基金資助項目(１４０８０８５ ME１０５ ) 作者簡介:牛明強(qiáng)(１９８９-

8、),男,安徽淮北人,碩士研究生．通訊作者:郭興眾(１９６２-),男,安徽阜陽人,教授,碩導(dǎo)． ５０ 安 徽 工 程 大 學(xué) 學(xué) 報 第 ２９ 卷 u max ? C D Au ２ ? , () P v ＝ ?mg f ＋ max ÷ ． ３６００η è ? １ ２１ １５ 式中 u 為最高

9、車速 C D 為空氣阻力系數(shù) η 為傳動系效率 本文取 ＝ ． f 為滾動阻力系數(shù) A 為迎 , max , , ( ０ ９ ), , 風(fēng)面積． / )爬上一定坡度 j max 時,最大需求功率為: ()汽車以某一速度 uα (本文取 uα ＝ ２ uα ? ２０ km h C D Auα２ ? , () P i ＝

10、 ?mg f αmax ＋mg αmax ＋ ÷ ． ３６００η è cos sin ．? ２ 式中,αmax ＝j(luò) max ． ２１ １５ × ２ ５ arctan (３)車輛加速過程中,忽略坡路阻力,所受到的阻力主要包括滾阻、風(fēng)阻以及加速阻力,加速后期所需功率最大,最大需求功率為: u m ? １

11、 C D Au m２ u m ? , () P j ＝ ?mg f t m ＋ t m ＋δm ÷ ２１ １５ ２ ５ η è １ ５ ２ t m ? ３ ３６００ t m ． ． × ． 式中,u m 為加速末汽車速度,tm 為加速時長,δ 為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)． 電動汽車驅(qū)動電機(jī)最大功率應(yīng)能同時滿足不同工況下的工況需求,即大于汽車對最高車速、爬坡度以及加速時間的

12、功率要求,所以驅(qū)動電機(jī)最大功率 P max 需滿足條件為: P max ≥ max {P v ,P i ,P j } , ４ () P max ＝λP 額 , ５ ３０ ５３ kW ７２ ６ kW () 將本文研究汽車相關(guān)參數(shù)帶入上述式中得出P v ＝ ３０ １ kW ,P i ＝ ,P j ＝ ．因此電機(jī)最大功 ． ． ． 率可選 P max ＝ ７３ kW １２０ km h ．一般取我國道路最

13、高限速( / )的穩(wěn)定行駛功率作為電機(jī)額定功率下限值[４], 本文取 P 額 ＝ ３０ kW ５ ２ ４３ ．由式()計算可知,電機(jī)過載系數(shù)λ＝ ． ． 驅(qū)動電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩T max 需要滿足汽車起步轉(zhuǎn)矩和最大爬坡度轉(zhuǎn)矩需求．在確定驅(qū)動電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩時, 認(rèn)為汽車以恒定速度行駛,則此時車輛行駛方程為: , () F t ＝F f ＋ F w ＋ F i 即 ６

14、 T maxi maxη m α ＋ １ AC Du w２ ＋ m g α , () r d ＝ g f cos sin ２ ７ 因此,電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為: １ é AC Duα２ ＋m ù êêmg f α＋ α?? T max ＝ ? cos ２ g sin ? r d

15、 , () i max ８ 式中,rd/(m )為輪胎滾動半徑,imax 為最大傳動比． η 永磁同步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高,且永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)在控制方式上可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,結(jié)構(gòu)上可實(shí)現(xiàn)電機(jī)與齒輪箱一體化．基于以上優(yōu)點(diǎn),永磁同步電機(jī)被廣泛應(yīng)用于各種電動汽車驅(qū)動系統(tǒng) 中 [５ ]．據(jù)此,本文選擇富奧汽車零部件股份有限公司生產(chǎn)的永磁同步電機(jī)主要性能參數(shù)如表 ３ 所示． 表 ３ 電機(jī)主要性能參數(shù) 電機(jī)類

16、型 額定功率 額定轉(zhuǎn)速 額定轉(zhuǎn)矩 額定電壓 最大功率 最大轉(zhuǎn)速 最大轉(zhuǎn)矩 ( ) (/ )( m ) ( ) ( ) (/ )( m ) kW r min N V kW r min N 永磁同步電機(jī) ３０ ３ ５００ ８２ ３２０ ７３ ９ ０００ １９９ １．２ 動力電池參數(shù)匹配 相比傳統(tǒng)的鉛酸電池,鋰電池具有較高的能量密度,且有循環(huán)使用壽命長、安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在純電動汽車和混合動力汽車上．通過綜合分析多種形式的鋰電池

17、組的安全性與存儲性能等,本文選擇磷酸鐵鋰離子電池組作為該車的儲能裝置． 電池組電壓等級應(yīng)與電機(jī)工作電壓相匹配,確定該車電池組電壓等級U ０ ＝ ３２０ V．根據(jù)整車設(shè)計目標(biāo)要求,在電池組有效放電容量內(nèi),汽車以６０ km/h 等速運(yùn)行的續(xù)駛里程S 至少為１４０ km．電動汽車以u ele 勻速行駛,電池負(fù)載功率為: 第３ 期 牛明強(qiáng),等:基于 CRUISE 的純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真 ５１ P ele ＝ u ele? C D Au ele２ ? , ?mg f ＋ ÷ ２１．１５ , , ３６０

18、０ηTηconηbat è ? , , 式中 P ele 為電池負(fù)載功率 ηT 為傳動系效率 ηcon 為電機(jī)效率 ηbat 為電池組放電效率． 等速 u ele 條件下,滿足一定行駛距離 S 所需能量為: P ele S , W road ＝P ele ×t ＝ u ele  (９) (１０) 電池組能量需要符合的要求為W ele ＞ W road ． 動力電池在一定的放電深度下,所能放出的額定能量為: U C

19、soc W ele ＝ ０ ξ , ( ) , , ( １ ０００ ) １１ 式中 ξsoc 為電池組有效放電容量 本文取 ０ ８ １５％ ~ ９５％ ． ． １０ １１ )可得滿足汽車?yán)m(xù)駛里程條件下動力電池組容量為: 由式( )與式( C ＝ １ ０００P ele S , ( ) U

20、socU ele １２ ０ξ １５％ ． 同時,本文還考慮到在實(shí)際運(yùn)行時,汽車耗電附件耗電量約占整車耗電量 左右 將相關(guān)參數(shù)帶入 計算確定電池組總電壓為U ０ ＝ ３２０ V ,容量 C ＝ ６０ Ah．本文確定的電池組具體參數(shù)信息如表４ 所示． 表 ４ 電池組主要參數(shù) 電池組類型 名義容量/(Ah ) 單體標(biāo)稱電壓/(V ) 總電壓/(V ) 電池節(jié)數(shù) 磷酸鐵鋰離子電池組 ６０

21、 ３．２ ３２０ １００ １．３ 傳動比匹配 在電機(jī)輸出特性一定時,電動汽車傳動比的選擇應(yīng)滿足汽車動力性能的要求,即應(yīng)滿足汽車最高期望車速 u max 、最大爬坡度αmax 以及加速時間 t m 的要求[６- ７ ]．本文所研究的電動汽車采用固定速比單檔減速器驅(qū)動車輪行駛,以提高傳動效率及能源的利用率． 傳動系傳動比的上限主要是根據(jù)發(fā)動機(jī)或者電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和車輛的最高車速共同確定的,其計算公式為: i max ＝ ． n maxr d , ０ ３７７ u max i

22、 ＝i ０ i g , 其中,n max/(r/min )表示電機(jī)最高轉(zhuǎn)速,u max 表示汽車的最大速度,i０傳動比．  (１３ ) (１４) 為主減速器傳動比,ig 為單級減速器 對于傳動系傳動比下限的計算,主要由車輛設(shè)計最大爬坡度和電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩確定的,其計算公式為: i min ＝F i maxr d , ( ) ηT max １５ 其中,F i max 表示最大坡度行駛時車輛所受阻力,T max 表示電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩． 根據(jù)式(１４)和式(１５ )綜合考慮,該汽車總傳動比為８ ．３,主減速器傳動比取４．３

23、２２ ,單檔減速器傳動比為１ ．９２ ． ２ AVL CRUISE 建模與仿真分析 ２ ．１ 仿真模型建立 CRUISE 軟件是一種針對汽車動力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析的軟件,采用模塊化的設(shè)計方法,可以搭建多種結(jié)構(gòu)形式的汽車傳動系統(tǒng)模型,并可針對性地制定多種汽車性能仿真任務(wù)．本文整車模型模塊選用整車模塊、駕駛室模塊、單級減速模塊、電機(jī)、電池、車輪和制動器等模塊,車輛模型如圖１ 所示． ２．２ 仿真結(jié)果分析 (１)循環(huán)工況下整車特性分析．本文采用新歐洲循環(huán)工況(NEDC),基于準(zhǔn)靜態(tài)仿真,循環(huán)過程整車速度與瞬態(tài)電耗如圖２ 所示．由速度曲線可知,匹配后的車速滿足 NEDC 工

24、況要求,跟隨速度良好,行駛平穩(wěn),對應(yīng) SOC 變化也較為穩(wěn)定．由 SOC 曲線可知,在工況運(yùn)行前期,車速較低,電機(jī)需求功率較小,SOC 水 ５２ 安 徽 工 程 大 學(xué) 學(xué) 報 第 ２９ 卷 平下降緩慢;在工況運(yùn)行后期,隨 著汽車速度增大,電機(jī)需求功率較大,SOC 下降迅速;停車時 SOC 沒有明顯變化,這是因為針對純電動汽車電機(jī)無需怠速運(yùn)轉(zhuǎn),停車時電機(jī)隨即停止運(yùn)行,不消耗能量． (２)加速工況分析．加速過程中,電機(jī)功率與車速變化如圖３所示．駕駛員對目標(biāo)功率需求越來越大,電機(jī)功率隨之增大,直至達(dá)到電機(jī)最大有效功率．加速前期, 車速變化迅

25、速;加速后期,電機(jī)達(dá) 圖１ 整車 CRUISE 模型 到最大功率后,車速變化逐漸趨 ． CRUISE 軟件的 re- 于平緩根據(jù) sult 報告,得到該車具體的全負(fù) 荷加速任務(wù)結(jié)果,具體數(shù)據(jù)如表５ ． ５ 可知,該車由靜止加 所示由表 速至 １００ km/h 所需時間為 １４．８５ s,行駛距離為２４０．０７ m． ()最大爬坡度結(jié)果分析汽 圖 ２ NEDC 工況車速與 SOC 變化圖 圖 ３ 加速工況車速與電機(jī)功率圖 ３ ．

26、車最大爬坡度是汽車動力性能的 一個重要指標(biāo),本文匹配對象的爬坡度曲線如圖４ 所示．由圖４ 可知,該車在速度為２０ km/h 時,最大爬坡度為３２ ．６８ ％．在實(shí)際車速小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的車速時,電機(jī)運(yùn)行在恒扭矩工作區(qū)間,輸出的最大扭矩恒定,所以汽車最大爬坡度變化很小;在實(shí)際車速大于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的車速時,電機(jī)運(yùn)行在恒功率工作區(qū)間,輸出的最大功率保持恒定,所以車輛最大爬坡度隨車速的增加而不斷減?。? 表５ ０ ~１００ km/h 加速時間 車速/( / ) 時間/() 距離/( ) 電機(jī)轉(zhuǎn)速/(/ ) 車速/( / ) 時間/()

27、 距離/( ) 電機(jī)轉(zhuǎn)速/(/ ) km h s m r min km h s m r min ２０ ２．２９ ６．０５ １４３４．４３ ８０ １０．２０ １２３．１７ ５ ７３７．４３ ４０ ４．４８ ２４．４３ ２ ８６８．５９ １００ １４．８５ ２４０．０７ ７ １７１．４８ ６０ ６．８５ ５７．５２ ４ ３０２．８９ (４)最大速度結(jié)果分析．該車最高車速曲線如圖 ５ 所示,根據(jù) CRUISE 軟件的 result 報告,可得該車最大速度為１２６ km/h．滿足本文整車最大速度１２５ km/h

28、的設(shè)計要求． (５)續(xù)駛里程結(jié)果分析．該車以 ６０ km/h 車速勻速行駛的電池 SOC 變化曲線如圖 ６ 所示．本文電池組有效容量為８０％,根據(jù) CRUISE 軟件的 result 報告查知,該車 SOC 為１５％時,續(xù)駛里程為１４４．６７ km,滿 足整車設(shè)計要求１４０ km．NEDC 循環(huán)工況時,由循環(huán)工況下整車特性分析可知,一個循環(huán)工況電池組 SOC 變化量．計算可得 NEDC 循環(huán)工況續(xù)駛里程為 S＝１０９ ．７ km． (６)仿真結(jié)果與設(shè)計目標(biāo)對比．本文針對開發(fā)車型的 CURISE 仿真結(jié)果與開發(fā)前的設(shè)計目標(biāo)對比結(jié)果如表６ 所示．由表６ 可知,經(jīng)過理論設(shè)計匹配的整

29、車傳動系統(tǒng)參數(shù)滿足設(shè)計要求． 表 ６ 整車設(shè)計目標(biāo)與仿真結(jié)果對比表 指標(biāo) 設(shè)計目標(biāo) 仿真結(jié)果 指標(biāo) 設(shè)計目標(biāo) 仿真結(jié)果 最高車速/( / ) １２５ １２６ / 續(xù)駛里程/( ) １４０ １４４．６７ km h ６０ km h km ％ ３０ ３２．６８ NEDC km １００ １０９．７ 最大爬坡度/( ) 工況續(xù)駛里程/( ) / 加速/()

30、 １５ １４．８５ ０ ~１００ km h s 第３ 期 牛明強(qiáng),等:基于 CRUISE 的純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真 ５３ 圖４ 汽車爬坡度曲線 圖５ 車輛最高車速曲線 圖６ ６０ km/h 定速行駛 SOC 變化曲線 ３ 結(jié)論 本文首先對一款處于純電動汽車的傳動系關(guān)鍵部件參數(shù)進(jìn)行設(shè)計,然后對其進(jìn)行建模和仿真．通過建立 NEDC 工況巡航、最大速度、最大爬坡度和加速度任務(wù)得出該車動力性指標(biāo),通過建立６０ km/h 等速行駛和 NEDC 工況巡航任務(wù)得出該車經(jīng)濟(jì)性

31、指標(biāo)．仿真結(jié)果顯示,匹配后的動力系統(tǒng)滿足設(shè)計要求．本文為電動汽車的參數(shù)匹配提供了一種有效的方法參考,也為后續(xù)電動汽車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制策略等深入研究奠定了模型基礎(chǔ)． 參考文獻(xiàn): [１] 王志福,張承寧．電動汽車驅(qū)動理論與設(shè)計[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社,２０１２ :４０-４６ ． [２] 王銳,何洪文．基于 CRUISE 的整車動力性能仿真分析[J]．車輛與動力技術(shù),２００９ (２):２４-２６ ．[３] 余志生．汽車?yán)碚揫M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社,２００９ :３-１６ ． [４] 何洪文,余曉江．電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)動力特性分析[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報,２００６ ,２６

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33、hicle based on CRUISE NIU Ming-qiang,GUO Xing-zhong? ,SUN Si-zhou,LI Hui-yuan (Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Energy Saving Devices, Anhui Polytechnic University,Wuhu ２４１０００ ,China) Abstract:Developing and researching the pure electric vehicle is an important means to r

34、ealize energy conservation and pollution reduction．As for a pure electric vehicle with basic technical parameters known and dynamic performance and economic consideration,this paper accomplishes the matching design for maj or components based on the theoretical calculation and then gives simulation

35、analysis of the complete vehicle performance using the complete vehicle model built by CRUISE software．Results demonstrate that the theoretical design fulfills the demand and this method works．Also the results provide the theo-retical foundation for further design of pure electric vehicle． Key words:pure electric vehicle;Parameter matching;simulation based on CRUISE