摘 要：根據(jù)整車性能指標，分析電橋、電機、減速器、電池等關鍵部件的設計需求，利用CRUISE仿真軟件，建立系統(tǒng)結構和控制模型，采用矩陣輸入方法，完成速比的匹配優(yōu)化、電池電量的確定、電機的驗證，仿真結果表明，動力系統(tǒng)的選型匹配對整車動力性和經(jīng)濟性影響很大，同時該研究可以指導純電動汽車的系統(tǒng)開發(fā)。

關鍵詞：純電動汽車;電橋參數(shù)匹配;速比優(yōu)化

0 引言

近十年新能源汽車產(chǎn)業(yè)取得了飛速發(fā)展，越來越多的純電動汽車產(chǎn)品走向個人市場，純電動汽車的行駛環(huán)境也越來越復雜，如何開發(fā)一款高效節(jié)能的純電動汽車，不論在常溫還是高低溫環(huán)境中，都能表現(xiàn)出良好的動力性能與續(xù)駛里程，顯得尤為重要。驅(qū)動系統(tǒng)是純電動汽車的核心部件，合理的動力系統(tǒng)參數(shù)匹配能夠最大程度地提高純電動汽車的動力性和能耗經(jīng)濟性[1]。

1 系統(tǒng)方案設計

1.1 動力系統(tǒng)結構

高壓動力電池作為電動汽車唯一的動力源，通過電機及控制器將電能轉化為機械能來驅(qū)動整車。目前普通開發(fā)的動力電池類型為鋰電池，擁有高能量密度和高功率密度，電動機應用廣泛的是永磁同步電機和交流異步電機，本文選用的是三元鋰電池和永磁同步電機、單速比變速系統(tǒng)構成的電動汽車動力系統(tǒng)。當汽車起步加速和正常行駛時，電池給電機供電驅(qū)動車輪，當汽車滑行或制動時，電機作為發(fā)電機給動力電池充電，從而實現(xiàn)能量回收。

1.2 整車目標及關鍵參數(shù)

1.3 電橋參數(shù)確定

隨著電驅(qū)動技術的發(fā)展，三合一產(chǎn)品越來越多，集成度高，效率高，本文首先確定電橋的基本參數(shù)，有更多的組合方案可供選擇和選取最優(yōu)方案。

1.3.1 電橋額定功率和額定扭矩

額定功率一般是由汽車在水平道路上以最高車速行駛的功率來確定[2]，此時電橋的輸出功率為：

式中：—電橋的額定功率，kW;M—為滿載質(zhì)量;f—為輪胎滾動阻力系數(shù);—為風阻系數(shù);A—為迎風面積，;—為最高車速，km/h;

同時額定功率還需要滿足30km/h爬坡12%的性能[3]：

式中：—為12%坡度;—為12%爬坡車速，取車速30，km/h;

同樣，在爬坡12%時，額定扭矩要滿足：

綜合最高車速和爬坡性能的兩條指標，經(jīng)計算，需求的電橋額定功率至少為：13.5kW，額定扭矩至少為：555N.m。

1.3.2 電橋峰值功率和峰值扭矩

電機的峰值功率一般出現(xiàn)在最大爬坡度和全油門加速時，其中滿足最大爬坡時，電橋的峰值功率如下：

式中：—為最大爬坡度，25%;—為爬坡車速，取車速20，km/h;

汽車全油門加速時，滿足加速時間指標，此時電橋的需求功率為：

式中：—為旋轉質(zhì)量換算系數(shù);—為加速目標車速，km/h;—為加速時間，s。

由于要同時滿足車輛最大爬坡度、全油門加速的要求，所以該電橋的最大輸出功率需求應為：

代入最大爬坡度25%，爬坡車速20km/h以及0-50km/h加速時間6s后，可得電橋輸出峰值功率至少為：31kW，峰值扭矩1008N.m。

1.3.3 電橋最高轉速

依據(jù)汽車理論，車速與轉速的關系，可得電橋的最高轉速為：

式中：—為電橋最高車速，r/min;—為設計的最高車速，km/h。

代入最高車速100km/h，考慮余量之后，電橋的最高轉速至少應為：960r/min。

綜上計算結果，永磁同步電機的電橋主要參數(shù)：額定功率13.5kW，額定扭矩555Nm，峰值功率31kW，峰值扭矩1008Nm，電橋最高轉速960r/min。

2 基于CRUISE的建模及優(yōu)化仿真

AVL開發(fā)的CRUISE軟件主要是研究整車動力性、經(jīng)濟性、排放性能及制動性能的軟件，其模塊化的建模理念，可以便捷地搭建不同布置結構的車輛模型，本文主要借助CRUISE軟件進行動力性與經(jīng)濟性仿真研究。

2.1 建模

圖1為在CRUISE里面搭建的純電動單速比驅(qū)動架構模型，驅(qū)動形式為前置前驅(qū)。

2.2 電橋分解及速比優(yōu)化

本文研究的是采用固定速比減速器的傳動系統(tǒng)，對于符合電橋需求的產(chǎn)品進行篩選和優(yōu)化[3]，在速比7.9-9之間，利用CRUISE的矩陣式計算，進行基于經(jīng)濟性的速比優(yōu)化分析。本研究選擇的是歐洲的駕駛循環(huán)工況NEDC和中國乘用車工況CLTC-P作為循環(huán)行駛工況，計算兩種工況下的續(xù)駛里程。經(jīng)過矩陣式分析可知，在傳動比8.15-8.35之間，擁有較長的續(xù)駛里程，電驅(qū)動效率較高，同時也保證較好的動力性能，最后以此速比范圍進行產(chǎn)品選型開發(fā)。

2.3 動力電池電量確定

續(xù)駛里程是純電動汽車開發(fā)的一項重要指標，本文的里程設計指標主要是NEDC工況，目標直接決定了動力電池電量的選取，通常以wh來表示能量源的能量EC的單位，能量的消耗就是循環(huán)工況中電池放電功率對時間的積分，電池放電功率就是電池當前工作電壓與放電電流的乘積，其定義如下：

式中：u（t）—工作電壓（V）;i（t）—放電電流（A）;t—放電時間（s）。

3 結論

根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型的技術參數(shù)需求，最終選取的三合一電驅(qū)產(chǎn)品額定/峰值功率（15/35kW），額定/峰值扭矩（530/965Nm），電池可用放電量（27kWh），關鍵性能分析結果：最高車速（105km/h）;0-50km/h加速時間（5.39s）;最大爬坡度（28%）;NEDC續(xù)駛里程（309km）;通過仿真分析，整車的動力性能與經(jīng)濟性都滿足目標要求，給出電橋總成的需求，可以更加靈活地選擇電驅(qū)動產(chǎn)品，速比的優(yōu)化，使得經(jīng)濟性與動力性達到了平衡。本文提出了良好的建模與優(yōu)化控制方法，使得動力電池、電機以及傳動裝置達到最佳的匹配關系，同時也可以節(jié)約整車開發(fā)成本，為指導整車產(chǎn)品開發(fā)提供重要的支撐。

參考文獻：

[1]徐東.基于蟻群算法的純電動汽車動力參數(shù)優(yōu)化研究[D].西安：長安大學汽車學院，2015.

[2]余志生.汽車理論[M].5版，北京：機械工業(yè)出版，2009.

[3]張奇，符曉玲，李珂，等.純電動汽車動力系統(tǒng)匹配優(yōu)化與再生制動策略[D].山東，山東大學控制科學與工程學院.

作者簡介：梁新燕（1984-），女，河南衛(wèi)輝人，本科，主管工程師，主要研究方向：新能源汽車動力系統(tǒng)匹配分析與動力性經(jīng)濟性性能開發(fā)。