員汝娜 鄒忠月 張騰 趙旭陽

（河南速達電動汽車科技有限公司）

目前，純電動汽車發(fā)展前景廣闊，作為電動汽車的核心部件，動力系統(tǒng)匹配是否合理直接影響著整車性能的好壞[1]。以往，電動汽車主要通過臺架試驗或道路測試來對其動力性和經(jīng)濟性能進行評價，但是電機、電池及動力系統(tǒng)的匹配方案和各關鍵部件的參數(shù)變化多樣，如果針對每種方案都進行實車測試不僅會增加成本，而且會延長研發(fā)周期?；谏鲜鰡栴}，文章利用Cruise 軟件中的零部件模塊，針對各種方案快速建立整車模型，通過創(chuàng)建計算任務對整車的動力性和經(jīng)濟性能各項指標進行模擬計算，快速選出最佳匹配方案，然后通過實車測試驗證了仿真模型的準確性，大大縮短了整車研發(fā)周期，節(jié)約了企業(yè)成本[2]。

1 動力系統(tǒng)關鍵參數(shù)匹配計算

1.1 整車基本參數(shù)及性能要求

文章所研究的純電動汽車的整車基本參數(shù)和性能要求，如表1 所示。

表1 純電動汽車整車基本參數(shù)和性能要求

1.2 驅(qū)動電機參數(shù)匹配計算

1.2.1 額定/峰值功率

額定功率和峰值功率是驅(qū)動電機的2 個重要參數(shù)[3]。一般來說，驅(qū)動電機的額定功率首先應該滿足汽車以最高車速行駛時所需要的功率，這是因為不同于爬坡和加速，汽車以最高車速行駛是長時間的行駛狀態(tài)，因此一般以汽車在平坦道路上最高車速行駛時的功率來確定驅(qū)動電機的額定功率，以最高車速功率、最大爬坡度功率以及加速時間功率中的最大值確定驅(qū)動電機的峰值功率。

根據(jù)最高車速確定的驅(qū)動電機的額定功率（Pe/kW）為：

式中：η——傳動系統(tǒng)機械效率；

m——滿載質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，m/s2；

f——滾動阻力系數(shù)；

CD——風阻系數(shù)；

A——迎風面積，m2；

vmax——最高車速，km/h。

根據(jù)最大爬坡度確定的驅(qū)動電機功率（Pmax1/kW）為：

式中：α——坡度角，α=arctan i；

i——最大爬坡度，%；

vα——爬坡車速，km/h。

根據(jù)加速時間確定的驅(qū)動電機功率（Pmax2/kW）為：

式中：δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；

t——加速時間，s；

x——擬合系數(shù)，一般取0.5；

vt——汽車加速末速度（這里取100 km/h）。

通過式 （1）～ 式 （3） 計算可得：Pe=31.88 kW，Pmax1=47.25 kW，Pmax2=71.83 kW。綜合考慮可選電機的額定功率為40 kW，峰值功率為80 kW。

1.2.2 額定/峰值轉(zhuǎn)速

一般來說，驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)速要滿足常規(guī)車速的需求，峰值轉(zhuǎn)速要滿足最高車速的需求。文章將常規(guī)車速設定為50 km/h，最高車速設定為130 km/h。

式中：n——電機轉(zhuǎn)速，r/min；

I——減速器速比；

v——車速，km/h；

r——輪胎滾動半徑，m。

通過式（4）計算可得：額定轉(zhuǎn)速ne=3 367 r/min，峰值轉(zhuǎn)速nmax=8 753 r/min。

1.2.3 額定/峰值轉(zhuǎn)矩

驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)矩（Te/N·m）一般由電機的額定功率和額定轉(zhuǎn)速來確定：

驅(qū)動電機的峰值轉(zhuǎn)矩（Tmax/N·m）要滿足汽車起動轉(zhuǎn)矩和最大爬坡轉(zhuǎn)矩，并結合汽車的減速比來確定：

通過式（5）和式（6）計算可得：Te=114 N·m，Tmax=223 N·m。

基于上述計算結果，選取某款永磁同步電機做為該電動汽車的驅(qū)動電機，該電機基本參數(shù)包括：額定功率和峰值功率分別為40 kW 和80 kW；額定轉(zhuǎn)速和峰值轉(zhuǎn)速分別為3 357 r/min 和9 000 r/min；額定轉(zhuǎn)矩和峰值轉(zhuǎn)矩分別為128 N·m 和240 N·m。

1.3 動力電池參數(shù)匹配計算

選取電池容量為120 A·h，單體為3.66 V 的三元鋰離子（鎳鈷錳酸鋰）電池作為動力電池。為了滿足整車的動力性和續(xù)駛里程要求，單體電池的數(shù)目應滿足驅(qū)動電機的最大輸出功率和續(xù)駛里程的要求[4]。根據(jù)驅(qū)動電機最大輸出功率確定的電池組數(shù)目（N1）為：

式中：Pemax——驅(qū)動電機最大輸出功率，kW；

Pbmax——單體電池的最大輸出功率，kW；

ηe——驅(qū)動電機系統(tǒng)效率，這里取85%。

根據(jù)續(xù)駛里程要求確定的電池組數(shù)目（N2）為：

式中：Pe60——等速60 km/h 行駛時電機的輸出功率，kW；

L——等速60 km/h 的續(xù)駛里程，km；

CS——單體電池容量，A·h；

VS——單體電池電壓，V；

ηb——單體電池放電深度，這里取90%；

ηe60——等速60 km/h 行駛時驅(qū)動電機系統(tǒng)效率，這里取90%。

通過式（7）和式（8）計算可得：N1=52.3，N2=86.6，而電池組數(shù)目 N≥max{N1，N2}，因此取 N=90。

基于上述計算結果，這款電池容量為120 A·h，單體電池額定電壓為3.66 V 的動力電池組個數(shù)為90。

2 整車模型仿真

2.1 基于Cruise的整車模型建立

作為一款可以對整車動力性和經(jīng)濟性進行仿真分析的軟件，Cruise 中集成了汽車各個零部件，方便整車模型仿真搭建[5]。基于Cruise 搭建的整車模型，如圖1所示。該模型包括：車輛（Vehicle）模塊、輪胎（Wheel）模塊、制動器（Brake）模塊、差速器（Differential）模塊、變速器（Transmission）模塊、電機（Electric Machine）模塊、電池（Battery）模塊、電池管理系統(tǒng)（Battery Manage）模塊、駕駛室（Cockpit）模塊、監(jiān)視器（Monitor）模塊、MATLAB DLL 模塊以及燈、儀表、空調(diào)等用電器模塊，各模塊之間通過電氣、機械以及信號進行連接[6]。其中MATLAB DLL 模塊內(nèi)添加了電機控制策略和制動能量回收策略的Simulink 模型。

圖1 基于Cruise 搭建的整車模型

2.2 仿真結果分析

2.2.1 動力性能仿真結果

某純電動汽車動力性能仿真結果，如圖2 所示。該車最高車速的仿真結果為133 km/h，此時對應的電機轉(zhuǎn)速為8 955 r/min。汽車的最高車速主要受到電機峰值轉(zhuǎn)速和主減速器速比的限制。從圖2a 可以看出，當車速為30 km/h 時，該車對應的爬坡度為32.20%，滿足設計要求；從圖2b 可見，車速由0 加速至100 km/h 所需時間為11.75 s。

圖2 某純電動車動力性能仿真結果

2.2.2 經(jīng)濟性能仿真結果

在汽車制動過程中，驅(qū)動車輪在慣性下帶動驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，此時電機不向外輸出驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，電機處于饋電狀態(tài)，將汽車行駛的動能轉(zhuǎn)化為電能儲存至動力電池中，延長汽車的續(xù)駛里程[7]。

在使用Cruise 對整車進行經(jīng)濟性能仿真時，添加了制動能量回收部分，有效延長了NEDC 工況下的續(xù)駛里程。圖3 示出在一個NEDC 循環(huán)工況下，車速及電池SOC 隨時間的變化規(guī)律。從圖3 可以看出，在汽車制動過程中，SOC 略有回升，此時驅(qū)動電機處于饋電狀態(tài)，對動力電池進行充電，可有效延長NEDC 工況的續(xù)駛里程。圖4 示出NEDC 工況及等速60 km/h 工況下汽車的續(xù)駛里程。

圖3 NEDC 工況下某純電動汽車車速和電池SOC 的變化規(guī)律

圖4 某純電動汽車在不同工況下的續(xù)駛里程

由仿真計算結果可以得到：

1）在未考慮電池充電效率的情況下，在NEDC 工況下的汽車的續(xù)駛里程為281 km，對應的耗電量為140.57 W·h/km；

2）等速60 km/h 工況下汽車的續(xù)駛里程為370 km，對應的耗電量為106.76 W·h/km；

3）在NEDC 工況下，雖然對制動能量進行了回收，但是該工況下汽車需要頻繁地啟停和加速，電機工作在不同的效率區(qū)，導致續(xù)駛里程較等速工況下短。

3 實車測試

3.1 測試條件

為了驗證所匹配動力系統(tǒng)的合理性以及Cruise 仿真的準確性，對該純電動汽車進行了測試驗證。整車的動力性能和經(jīng)濟性能分別按照GB/T 18385—2005《電動汽車動力性能試驗方法》[8]和GB/T 18386—2005《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》[9]進行試驗。

3.2 測試結果

在實車測試的過程中，為了保證試驗數(shù)據(jù)的準確性，共進行了初試和復試2 輪測試。整車性能試驗結果，如表2 所示。由表2 中整車動力性和經(jīng)濟性能的試驗結果對比可以看出，整車試驗結果與仿真各項數(shù)據(jù)相差不大，且均滿足整車的設計要求，造成數(shù)據(jù)差異的原因可能是仿真過程中模型的部分參數(shù)標定不夠準確，或者是駕駛員的實際操作引起的偏差。綜合考慮整車各性能的仿真結果和試驗結果，該款純電動汽車的動力系統(tǒng)參數(shù)匹配合理，同時證明了基于Curise 建立的整車模型的準確性。

表2 某純電動汽車整車性能試驗結果對比

4 結論

文章基于某款純電動車的整車基本參數(shù)和性能要求，對驅(qū)動電機以及動力電池的各項參數(shù)進行了匹配計算?；贑urise 軟件搭建了整車模型，對整車性能進行了仿真計算，結果表明：該車最高車速為133 km/h，0～100 km 加速時間為11.75 s，當車速為30 km/h 時對應的爬坡度為32.20%，NEDC 工況續(xù)駛里程為281 km，等速60 km/h 工況下的續(xù)駛里程為370 km，動力性及經(jīng)濟性指標均滿足設計要求。同時對所設計的純電動汽車進行了裝車驗證，結果表明整車試驗結果與仿真各項數(shù)據(jù)相差不大，且均滿足整車的設計要求，說明了該款純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的合理性，以及基于Curise 建立的整車模型的準確性，減少了電動汽車在設計初期的盲目性，還可作為下一步優(yōu)化提升的模型基礎，大大簡化了整車的開發(fā)流程。