純電動汽車動力系統參數匹配及仿真分析

白素強 楊瑞兆 鄧家奇

摘 要：論文依據整車性能指標，通過理論分析和計算，對某8×4載貨車動力系統參數進行匹配，基于AVL-Cruise建立整車模型并進行仿真分析，驗證動力系統參數匹配的合理性，為純電動車動力系統參數匹配及仿真提供分析方法。

關鍵詞：純電動汽車;參數匹配;動力系統;仿真分析

中圖分類號：U469.72 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-01-04

Parameter matching and simulation analysis of pure electric vehicle

powertrain system

Bai Suqiang， Yang Ruizhao， Deng Jiaqi

（ Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.， Ltd. Automotive Engineering Research Institute， Shaanxi Xi'an 710200 ）

Abstract： According to the vehicle performance index and theoretical analysis calculation， the powertrain parameters of a 8×4 truck were matched. Based on AVL-Cruse， the vehicle model was established and simulated. the rationality of powertrain parameters matching was verified， and the analysis method was provided for the powertrain parameters matching and simulation of pure electric vehicle.

Keywords： Pure electric vehicle; Parameter matching; Powertrain; Simulation analysis

CLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-01-04

1 引言

隨著汽車工業技術的不斷進步和發展，汽車逐漸進入人們的生活，成為普通的消費品，極大方便了人們的生活，但隨著汽車保有量的逐漸增加，其帶來的環境污染和能源危機也越來越嚴重，基于此，發展新能源汽車成為汽車企業的重點突破方向[1]，因此純電動汽車應運而生，因其零排放、零污染等特點，成為新能源汽車發展中極其重要的發展方向。

在電動車開發初期應用理論分析及仿真技術等手段，進行動力系統參數匹配及性能仿真分析，可提高正向開發能力，縮短開發周期，節約成本，提高開發效率[2]。本文根據整車性能參數指標，建立動力系統參數匹配的相關理論計算方法，并對驅動電機，動力電池等系統參數進行匹配，基于AVL-Cruise建立整車模型，并對其最高車速、最大爬坡度、加速時間及續駛歷程等進行了仿真分析，結果表明，動力系統參數滿足整車性能設計指標，為電動車動力系統參數匹配及仿真分析提供分析方法和技術參考。

2 動力系統參數匹配

純電動汽車動力系統參數匹配主要目的是根據整車性能指標參數，對動力電池、驅動電機等基本參數進行匹配計算及選型。

2.1 整車性能指標

整車性能指標主要包括動力性和經濟性指標，其中動力性指標包括最高車速，最大爬坡度和加速時間等，經濟性指標包括燃油經濟性，對電動車而言，主要指續航里程，具體性能指標分類如表1所示。

表1 ?整車性能指標分類

2.2 驅動電機參數匹配

驅動電機為純電動汽車提供動力，是其唯一動力來源，其性能參數直接關系到整車的動力性。純電動汽車的驅動電機一般要有低速高扭矩輸出特性，要有較高的過載能力，較高的動態響應能力，驅動電機基本參數主要包括：峰值功率、峰值轉矩、峰值轉速、額定功率、額定轉矩、額定轉速等[1]。

2.2.1 峰值功率

根據汽車理論相關知識，汽車動力性主要由三方面的指標來評定，分別為汽車的最高車速、加速時間、最大爬坡度，驅動電機的峰值功率應同時這三個動力性指標，因此取三者中的最大值，即為：

Pmax≧max（Pv，Pt，Pa） ??????????????????????????（1）

式中，Pv為根據最高車速計算的功率，Pt為根據原地起步加速到規定車速計算的功率，Pa為根據最大爬坡度計算的功率，根據汽車理論相關知識，各功率計算公式如下[3]：

其中，m為整車質量（kg），g為重力加速度，即9.8m/s2，cd為空氣阻力系數，A為迎風面積（m2），u1為最高車速（km/h），f為滾動阻力系數，η為傳動系機械效率，δ為汽車旋轉質量換算系數，u2為原地起步加速末速度，α為最大爬坡度，u3為以最大爬坡度行駛時要求的車速（km/h）。

2.2.2 額定功率

電機額定功率主要由汽車在平直路面上以最高車速行駛時要求的最低功率來確定，因此驅動電機額定功率為：

Pe≧Pv ??????????????????????????????????????（5）

2.2.3 峰值轉矩

電機峰值轉矩根據汽車最大爬坡度進行匹配計算，電機峰值轉矩Tmax計算公式為：

式中，r為輪胎滾動半徑（m），u以最大爬坡度行駛時要求的車速（km/h），i0為主減速器傳動比，i1為1檔傳動比，其余參數參照公式2.2～2.4。

2.2.4 最高轉速

驅動電機最高轉速應滿足最高車速要求，因此最高轉速nmax為：

式中參數參照公式2.6。

目前，純電動汽車采用的驅動電機主要有直流電機、交流異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機四種類型，根據文獻中[4]對各電機的優缺點的比較，結合車型的實際需求，文中選擇永磁同步電機作為驅動電機。

2.3 動力電池參數匹配

純電動汽車行駛時所用的電能一般是通過轉換動力電池存儲的化學能來獲得，其作為能量來源，直接決定了電動汽車的續駛里程，是目前制約純電動汽車發展的主要原因，是亟待解決的瓶頸問題。對動力電池的期望特征是：高比功率、高比能量、能接受較大電流的能力、使用時間長、持久的循環壽命等。作為動力電池使用的汽車企業，主要關注的是動力電池能否滿足整車續駛里程、選型的電池是否與整車匹配，對電池本身的設計問題主要由電池企業進行研究。文中對動力電池的匹配主要包括動力電池容量匹配、電池類型選擇、電池串并聯方式等。

2.3.1 電池類型選擇

目前純電動汽車上廣泛應用的動力電池主要有：鉛酸電池、鎳氫電池和鋰電池等，其中鋰電池最具發展優勢，技術也較為成熟，目前鋰電池也已經發展出了不同的類型，主要包括磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，根據相關文獻，鋰電池具有循環壽命長、比能量和比功率高、安全性高、價格低等優點[4]，因此本文動力電池選擇磷酸鐵鋰電池。

2.3.2 電池容量匹配

電池容量直接決定著車輛的續駛里程，是滿足整車經濟性指標的重要匹配參數[5]，需要根據車輛不同工況下的續駛里程進行匹配計算，因此電池容量應同時滿足40km/h等速續駛里程和C-WTVC續駛里程要求，即：

C≧max（C1，C2） ?????????????????????????????（8）

式中，C1為滿足40km/h等速續駛里程要求的電池容量，C2為滿足C-WTVC續駛里程要求的電池容量。

（1）40km/h等速續駛里程電池容量

40km/h等速續駛里程電池能量W1為：

式中w1為電池能量（kwh），P為等速行駛所需功率（kw），具體參考公式2.2，S為等速續駛里程指標值，u為等速行駛車速（km/h），ηsod為電池放電深度。

根據電池能量w1，可得電池容量C1為：

式中，C1為電池容量（Ah），W1為電池能量（kwh），U為電池組額定無負載端電壓（V）。

（2）C-WTVC續駛里程電池容量

C-WTVC續駛里程電池容量計算過程如下：

首先，根據公式（11）計算C-WTVC工況瞬時功率：

式中Pm為C-WTVC工況瞬時功率（kw），u為C-WTVC工況瞬時車速（km/h），a為C-WTVC工況瞬時加速度（m/s2），其余參數參考公式（2）～（4）。

其次將C-WTVC工況瞬時功率沿時間方向積分，獲得單個C-WTVC工況所需電池能量E。

最后，計算C-WTVC續駛里程電池能量W2為：

式中S為C-WTVC續駛里程（km），E為單個C-WTVC工況所需電池能量（kwh），s2為單個C-WTVC工況行駛里程（km），ηsod為電池放電深度。

根據電池能力W2，根據式（10）即可計算C-WTVC續駛里程電池容量C2。

3 整車仿真模型建立

隨著計算機技術的發展，CAE在車輛的設計開發中應用的越來越廣泛，其可以縮短車輛開發周期、節約成本，提升正向開發能力。文中，當通過理論計算完成動力系統參數匹配后，需要通過仿真分析驗證參數匹配的合理性，為后續設計工作的開展提供技術支持。本文采用AVL-Cruise軟件進行車輛建模及仿真分析。

AVL-Cruise軟件由奧地利AVL公司開發，主要用于車輛的動力性、經濟性、排放性能以及制動性能等的仿真分析，該軟件采用模塊化設計，建?？焖?、便捷、準確、高效，可用于車輛開發過程中動力系統的匹配、車輛性能預測等，廣泛應用與純電動汽車的性能仿真分析中。

基于AVL-Cruise建立的某商用8×4載貨車模型如圖3所示，模型建立主要分兩步：模塊導入及參數設置和各模塊連接關系建立。選擇的模塊包括車輛（vehicles）、電機（electric Machine）、電池（Battery H）、變速器（Gear box）、主減速器（Single Ratio transmision）、AMT模塊（Gear Box）、駕駛室模塊（cockpit）等，導入各模塊后，將整車模型參數、驅動電機和動力電池匹配參數等輸入各模塊。當各模塊選定后，需要建立各模塊之間的關系連接，AVL-Cruise模塊與模塊的連接主要有：物理連接、電氣連接和信息連接[5]。其中，物理連接表示各部件之間的真實機械連接關系，如圖1中藍色線，主要依據車輛布置方案以及各部件之間的實際機械連接關系及順序而確定;電氣連接表示部件之間的電力傳輸關系，如圖1中紅色線，模型中主要包括電機與電池以及電氣附件的電氣連接;信息連接表示部件之間的信息數據傳輸、各種命令和信號的傳遞等，如圖2所示，信號連接是整車建模中最為關鍵的內容之一，具有較大的難度，該連接關系需要對車輛運行過程中各部件之間的連接和控制關系、信息和命令的傳遞關系以及車輛動力學、工作原理等有深入的理解，可參考軟件自帶模型的信息連接進行搭建。建模完成后，通過檢查功能（check）進行模型檢查，查看模型是否正確。

4 仿真分析

模型建立后，根據仿真需求建立相應的計算任務，由于本文主要目的是通過仿真分析驗證動力參數匹配的合理性，因此主要仿真需求包括動力性和經濟性仿真分析，其中動力性仿真分析包括車輛最高車速、最大爬坡度和加速時間，經濟性仿真分析主要包括等速行駛和C-WTVC續駛里程分析。

4.1 動力性分析

仿真分析整車動力性，包括最高車速、最大爬坡度和加速度時間，其中，最高車速如圖3所示，加速時間如圖4所示，最大爬坡度如圖5所示。

4.2 經濟性分析

經濟性分析主要包括40km/h等速續駛里程和C-WTVC續駛里程分析，其中40km/h等速行駛電池S0C值變化量與行駛里程，如圖6所示，C-WTVC工況電池S0C值變化量與行駛里程，如圖7所示。

5 結束語

根據某商用8×4載貨車整車動力性和經濟性指標，對該載貨車的驅動電機及動力電池的參數進行匹配，建立了純電動汽車動力參數匹配的計算方法，基于AVL-Cruise建立8×4載貨車模型，并進行整車動力性和經濟性仿真分析，為純電動車動力系統參數匹配及仿真分析提供分析方法和技術參考。

參考文獻

[1] 陳霞瓊.某純電動環衛車動力傳動系統參數匹配及仿真優化[D].長沙：湖南大學，2018.

[2] 楊忠平.利用Cruise軟件進行整車動力性和燃油經濟性仿真分析[J].汽車實用技術，2015（01）：107～109.

[3] 余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2000.

[4] 冉嘉.純電動汽車傳動參數匹配與傳動比優化研究[D].重慶：西南大學，2016.

[5] 白志浩.純電動輕卡動力系統參數匹配及優化研究[D].合肥：合肥工業大學，2016.