韓孫冰

（同濟(jì)大學(xué) 上海市 200092）

1 引言

本文以國(guó)內(nèi)市場(chǎng)微型純電動(dòng)汽車(chē)的需求定位為基礎(chǔ)結(jié)合實(shí)際需求，基于最高車(chē)速、加速性能、爬坡能力和續(xù)航里程等主要性能設(shè)計(jì)一款微型電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)。根據(jù)微型純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)基本參數(shù)和性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)中的零部件：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行選型和參數(shù)計(jì)算匹配。利用CRUISE 汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立微型純電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)動(dòng)力模型，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型、動(dòng)力電池模型、傳動(dòng)系統(tǒng)模型等，并進(jìn)行動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的仿真分析。最后為提高整車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，采用區(qū)間優(yōu)化算法優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比并進(jìn)行仿真分析，與未優(yōu)化的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證優(yōu)化效果。

2 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)分析

2.1 電動(dòng)汽車(chē)縱向力學(xué)分析

電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)采用電池作為動(dòng)力源，配合電機(jī)、減速器、半軸、車(chē)輪來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛。在針對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)匹配時(shí)，整車(chē)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)是基礎(chǔ)，需要依靠電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)受力分析來(lái)進(jìn)行計(jì)算和匹配。由圖1 可知電動(dòng)汽車(chē)的受力情況，主要受力情況為行駛阻力和驅(qū)動(dòng)力，可以建立汽車(chē)受力平衡方程式，從而計(jì)算出汽車(chē)功率的功率平衡方程式，為后續(xù)的動(dòng)力系統(tǒng)的精確匹配提供可靠的理論基礎(chǔ)。

圖1：電動(dòng)汽車(chē)的受力分析

電動(dòng)汽車(chē)的縱向受力情況可以用如下力學(xué)公式表達(dá)：

Ft=Fw+Ff+Fi+Fj

圖1 為加速爬坡工況，其中Ft是汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力；Fw是汽車(chē)在爬坡過(guò)程中的空氣阻力；Ff是汽車(chē)在行駛過(guò)程中的車(chē)輪滾動(dòng)阻力；Fi是汽車(chē)在加速行駛時(shí)產(chǎn)生的加速阻力；Fj是汽車(chē)在爬坡行駛時(shí)產(chǎn)生的爬坡阻力。

根據(jù)上述的汽車(chē)縱向受力示意圖分析得知，在汽車(chē)加速爬坡過(guò)程中，汽車(chē)需要克服空氣阻力Fw、滾動(dòng)阻力Ff、加速阻力Fi以及坡道阻力Fj產(chǎn)生的合力，才能驅(qū)使汽車(chē)向前行駛，所以驅(qū)動(dòng)力Ft應(yīng)該大于或者等于各項(xiàng)阻力產(chǎn)生的合力才能驅(qū)使汽車(chē)正常加速爬坡行駛[1]。

2.2 電動(dòng)汽車(chē)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

電動(dòng)汽車(chē)的主要性能通常從動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性?xún)蓚€(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)。動(dòng)力性是指汽車(chē)在平直良好的路面上直線(xiàn)行駛時(shí)，受縱向外力決定的、所能達(dá)到的平均行駛車(chē)速。在保證電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能的首要前提下，盡可能的以較低電耗行駛，是評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性能的主要指標(biāo)。根據(jù)GB/T18385-2005 給出的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)得出，國(guó)標(biāo)中將汽車(chē)的最高車(chē)速、加速性能、最大爬坡度這三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)整個(gè)汽車(chē)的動(dòng)力性能的好壞[2]。

評(píng)價(jià)純電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性能主要看該車(chē)的最大續(xù)駛里程和電池的能量消耗。評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)中，國(guó)標(biāo)規(guī)定主要有兩種，第一種為等速60km/h 巡航工況，第二種為NEDC 循環(huán)工況。后續(xù)的匹配優(yōu)化將會(huì)依照評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行研究分析。

3 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與匹配

動(dòng)力系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部分，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)和動(dòng)力電池組成，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池的參數(shù)計(jì)算、匹配和選型直接影響著整車(chē)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能。

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類(lèi)型選擇上，體積小、質(zhì)量輕、能夠滿(mǎn)足汽車(chē)頻繁起步、加速、減速等情況。故本文選擇永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)在功率選取時(shí)，首先要滿(mǎn)足純電動(dòng)汽車(chē)在各種行駛工況下所需的總功率的最大值，即確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率。本文設(shè)計(jì)的該輛微型純電動(dòng)汽車(chē)的最高時(shí)速大于120km/h，計(jì)算可以得出:以最高車(chē)速行駛時(shí)所需的功率為大約20kW。該輛微型純電動(dòng)汽車(chē)在爬最大坡度時(shí)的穩(wěn)定時(shí)速為15km/h，計(jì)算可以得出在爬最大坡度時(shí)所需的功率為19.3kW。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率是額定功率的2-3倍，上述已經(jīng)確定了額定功率為20kW，因此可以確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率約為50kW，若考慮實(shí)際，最大功率可以高于50kW。驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速匹配時(shí)通過(guò)結(jié)合整車(chē)性能指標(biāo)，考慮電機(jī)成本、電機(jī)結(jié)構(gòu)、高效工作區(qū)間等因素后選取合理的額定轉(zhuǎn)速。通過(guò)對(duì)標(biāo)市場(chǎng)同級(jí)別微型純電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合自身整車(chē)性能指標(biāo)，最終確定電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為8000r/min,取電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3000min/r。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩取決于電機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速，額定功率越高，額定轉(zhuǎn)速越小，其額定轉(zhuǎn)矩會(huì)越大。上述數(shù)據(jù)計(jì)算可得驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為T(mén)ε=64N.m ，最大轉(zhuǎn)矩Tmax=192N.m。

合理地設(shè)計(jì)與計(jì)算變速器和減速器的參數(shù)，直接決定了純電動(dòng)汽車(chē)能否在最高效的效率區(qū)間內(nèi)行駛，也直接決定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)能否在高效率區(qū)間內(nèi)工作。因本文選擇的是機(jī)電集成驅(qū)動(dòng)布置形式，因此只需考慮減速器速比即可。初步選擇8.9 為該電動(dòng)汽車(chē)的傳動(dòng)比，后續(xù)將進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。

3.2 動(dòng)力電池參數(shù)匹配

動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車(chē)的唯一能源，動(dòng)力電池性能的好壞直接決定了電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能。

參考表1 動(dòng)力電池介紹，鋰離子電池綜合情況最優(yōu)，因此選擇鋰離子電池作為動(dòng)力電池。由于車(chē)載其他設(shè)備需要供電，比如DCDC、MCU、空調(diào)、音響設(shè)備等，最終結(jié)合對(duì)標(biāo)方案，并通過(guò)上述理論計(jì)算，確定選擇85 個(gè)電池單體，單體額定容量為75Ah，電池組額定電壓為314.5V，電池組額定總能量為23.59kWh，電池組最大能量26.78kWh。

表1：動(dòng)力電池介紹

不考慮電池的SOC 放電特性，不考慮電動(dòng)汽車(chē)其他電器工作的理想情況下，按照等比算法計(jì)算，該車(chē)等速50km/h 續(xù)航里程應(yīng)該在250-300km 之間，該電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)匹配結(jié)果如表2所示。

表2：動(dòng)力匹配參數(shù)

4 基于CRUISE的建模與仿真

4.1 CRUISE汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真軟件介紹

CRUISE是一款可以模擬整車(chē)動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能的仿真軟件，內(nèi)置了如電機(jī)模塊、輪胎模塊、電池模塊等汽車(chē)零部件組件，用戶(hù)可以根據(jù)自身設(shè)計(jì)需求如不同的車(chē)輛種類(lèi)及動(dòng)力布置形式搭建車(chē)輛模型并快速地進(jìn)行仿真驗(yàn)證。CRUISE 內(nèi)置的精確求解器，可以保證計(jì)算的精確度。同時(shí)還內(nèi)置了很多道路工況，例如NEDC 工況，0-100Km/h 加速工況等，可以支持工況的修改以便更好地適應(yīng)仿真工況的變化要求。

4.2 仿真模型的建立

4.2.1 整車(chē)模型建立

本文按照實(shí)際車(chē)輛的動(dòng)力傳輸路徑為基礎(chǔ)，通過(guò)該軟件構(gòu)建了純電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)模型。整車(chē)模型用CRUISE 搭建好之后，將各個(gè)模塊之間的信號(hào)交互設(shè)置完備，隨后詳細(xì)設(shè)置整車(chē)的基本性能參數(shù)：將質(zhì)心到前軸的距離設(shè)置為1180mm，軸距為2360mm，質(zhì)心高度為200mm，整備質(zhì)量為1120kg，滿(mǎn)載質(zhì)量為1420kg，風(fēng)阻系數(shù)為1.275m2。

4.2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型建立

創(chuàng)建電機(jī)模塊后，電機(jī)類(lèi)型選擇為PSM 類(lèi)型，標(biāo)稱(chēng)電壓設(shè)置為314.5V，峰值轉(zhuǎn)速為8000r/min，峰值扭矩為190Nm，其他參數(shù)選擇默認(rèn)模式。選擇永磁同步交流電機(jī)類(lèi)型后，將電機(jī)的外特性曲線(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入后會(huì)生成橫坐標(biāo)為扭矩（N/m）、縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速（r/min）的特性圖。

4.2.3 動(dòng)力電池模型建立

在CRUISE 中創(chuàng)建動(dòng)力電池模塊，根據(jù)動(dòng)力電池匹配計(jì)算得出的數(shù)據(jù)，設(shè)置額定容量75Ah，放電量為總?cè)萘康?5%，額定總電壓為314.5V，最大電壓為357V，最小總電壓為305.15V，串、并聯(lián)方式可以等效為1 串1 并。因選用的是鋰離子電池，其電池單體額定電壓為3.7V，單體最高電壓為4.2V，主要放電區(qū)間在3.7-4.2V之間，所選鋰電池在3.59V 以下便無(wú)放電能力，因此該電池組的最低電壓即為SOC 為0 時(shí)刻的電壓，最低電壓為305.15V。

4.2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)模型建立

純電動(dòng)汽車(chē)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較傳統(tǒng)汽車(chē)得到大大簡(jiǎn)化，只需做成單級(jí)減速器即可。通過(guò)計(jì)算初步確定了該電動(dòng)汽車(chē)的減速比為8.9，在CRUISE 建模的過(guò)程中設(shè)置減速器模型的減速比為8.9 即可[4]。

4.3 純電動(dòng)汽車(chē)仿真結(jié)果分析

4.3.1 最高車(chē)速仿真結(jié)果分析

建立整車(chē)模型之后，在傳動(dòng)比為8.9 的條件下，仿真該款純電動(dòng)汽車(chē)的最高車(chē)速，在傳動(dòng)比8.9 的情況下，最高車(chē)速約為139.39km/h，符合設(shè)計(jì)的最高時(shí)速大于120km/h 的要求，達(dá)到預(yù)期效果。

4.3.2 加速時(shí)間分析

在最高車(chē)速仿真過(guò)程中取點(diǎn)可知，大約在17.96 秒左右，該汽車(chē)達(dá)到100km/h，即該車(chē)百公里加速時(shí)間為18.13 秒左右；在0-50km/h 的加速時(shí)間為5.49 秒，小于6 秒；50-80km/h 的加速時(shí)間為6.07 秒，小于設(shè)定閾值8 秒，符合微型純電動(dòng)汽車(chē)的加速要求。

4.3.3 最大爬坡度仿真分析

在傳動(dòng)比為8.9 的條件下，仿真該款純電動(dòng)汽車(chē)的爬坡能力。爬坡能力在時(shí)速大約30km/h 的情況下遞減速率驟然增大。本文設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車(chē)以時(shí)速15km/h 的穩(wěn)定時(shí)速行駛時(shí)，所能爬的最大坡度大于30%，在15km/h 的時(shí)速時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的最大爬坡度大約為34.87%，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)的要求，達(dá)到了預(yù)期效果。

4.3.4 經(jīng)濟(jì)性-等速50km/h 續(xù)駛里程仿真分析

建立整車(chē)模型之后，手動(dòng)配置工況為50km/h 等速工況。在傳動(dòng)比為8.9 的條件下，仿真該款純電動(dòng)汽車(chē)的等速50km/h 的續(xù)駛里程。仿真后得出的結(jié)果可知最大續(xù)駛里程大約為281km。該工況下的最大續(xù)駛里程250-300km 的范圍。

4.3.5 經(jīng)濟(jì)性-NEDC 循環(huán)工況仿真分析

建立整車(chē)模型之后，將CRUISE 自帶的NEDC 工況數(shù)據(jù)導(dǎo)入，生成NEDC 循環(huán)工況圖[5]。在傳動(dòng)比為8.9 的條件下，仿真該款純電動(dòng)汽車(chē)的NEDC 循環(huán)工況。由該工況下的耗電量仿真結(jié)果分析可知，在NEDC 工況下每跑100km，耗電量為13.35kWh。該結(jié)果優(yōu)于預(yù)期設(shè)計(jì)的計(jì)算值，基本達(dá)到設(shè)計(jì)需求。

針對(duì)設(shè)計(jì)搭建的微型純電動(dòng)汽車(chē)模型進(jìn)行了動(dòng)力性仿真和經(jīng)濟(jì)性仿真。仿真結(jié)果表明，在傳動(dòng)比為8.9 的情況下，該車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真數(shù)據(jù)基本滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)的要求。

5 基于區(qū)間優(yōu)化算法的傳動(dòng)比優(yōu)化分析與實(shí)車(chē)驗(yàn)證

本文針對(duì)微型純電動(dòng)汽車(chē)采用固定傳動(dòng)比的單級(jí)傳動(dòng)方案，通過(guò)理論計(jì)算確定了單級(jí)傳動(dòng)比的取值范圍，并最終選擇區(qū)間優(yōu)化算法優(yōu)化傳動(dòng)比的選擇?；诜抡娅@得的大量數(shù)據(jù)，詳細(xì)羅列了在不同傳動(dòng)比下該電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的表現(xiàn)，并繪制出圖形。結(jié)合本文設(shè)計(jì)的整車(chē)定位需求，設(shè)定了最高車(chē)速、加速時(shí)間、最大爬坡度、NEDC 循環(huán)工況的續(xù)駛里程四個(gè)方面的權(quán)重系數(shù)，通過(guò)區(qū)間優(yōu)化算法的公式，計(jì)算出上述四個(gè)方面的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取最高的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)比為8.43 作為優(yōu)化后的傳動(dòng)比。通過(guò)優(yōu)化前和優(yōu)化后的仿真對(duì)比可知，在最高車(chē)速、加速時(shí)間、NEDC 工況這三個(gè)方面通過(guò)優(yōu)化后有了更好的提升，而在爬坡性能上，略有下降，但是該車(chē)的爬坡性能已經(jīng)滿(mǎn)足該車(chē)的設(shè)計(jì)需求。因此確定該車(chē)的傳動(dòng)比在8.43 的情況下，其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的等方面的性能達(dá)到最優(yōu)，提高了整車(chē)的性能。最后通過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試了整車(chē)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能，經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試驗(yàn)證了動(dòng)力匹配計(jì)算和仿真的合理性。