纯电动汽车动力系统参数匹配及仿真研究

车辆工程技术38车辆技术

1　纯电动车的基本结构分析 纯电动汽车的系统节本构成与传统燃油汽车截然不同，它的最大不同就体现在能源系统与驱动系统上，纯电动汽车的能源系统中包含了动力电池、管理系统，而驱动系统中包括了电机、电机控制器，它们所代替的是燃油车发动机中的控制系统，所以燃油车中的排气、冷却、燃油系统全部被取消。 在典型的纯电动车控制框架中，其整车是存在两条不同回路的，在高压回路中其电池组主要通过高压回路配合电池组对汽车电机控制器进行驱动，为汽车提供电力驱动其行驶。另外在低回路电池组电压中通过DC/DC变换器实施降压，配合纯电动汽车低压用电器进行供能优化，优化纯电动汽车的辅助系统发挥更好性能。当然，纯电动车整车的关键还在于对其动力系统参数的合理化匹配与计算仿真优化，下文也将围绕这两点展开论述。2　纯电动车的动力系统参数匹配分析 纯电动车的驱动动力系统中主要包含了电机与电池两部分，它们都需要进行动力系统参数匹配，正确匹配可保证汽车性能升级。下文主要围绕纯电动车的驱动电机系统动力参数匹配展开分析。目前比较常见的纯电动车驱动电机包含4种，分别为永磁同步电机、直流电机、交流感应电机以及开关磁阻电机。对比看来，用词同步电机虽然在电机过热情况下工作效率会大幅度下降，但是它的设计尺寸小、重量轻，比较适合于用于纯电动车的整车布置设计。同时它更便于维修，调速范围相对较宽，因此可在纯电动车中采用永磁同步电机。 一般来说，纯电动车的巡航速度较长，基本能够保证汽车长时间稳定工作状态，所以它的电机一般工作在恒转矩工作区域内。一般情况下，纯电动车的最大巡航车速可达到50km/h左右，当纯电动车一旦达到最大巡航车速时，需要将其变速器设置为4档档位，保证电机工作转速满足额定转速计算要求。例如将车速调节到50km/h，车轮滚动半径设置为r，变速器设置为i4，主减速器速度比设置为ig，并代入计算公式可首先求得电机的整体额定转速。另外就是要计算电机的过载系数，将其定义为电机峰值功率与额定功率之间的比值，它的计算公式应该如下[1]： 一般来说，纯电动车的电机过载系数其取值范围一般要控制在2~4左右，结合电机的额定功率与峰值功率进行电机过载系数的计算，可满足驱动动力系统的参数匹配要求。考虑到纯电动车的电机最高转速与额定转速在选取电机参数匹配方面同等重要，所以需要对电机的最高转速与零部件安全性进行分析，然后再计算电机的额定转速值。 除电机系统动力参数匹配研究外，还需要对电池组匹配重要参数进行分析，比如电池组容量，纯电动车的电池组容量设计完全取决于汽车本身的设计续驶里程值。结合纯电动车的行驶动力学方程理论，可计算出纯电动车的匀速行驶需要功率，最后计算出其电池组容量，然后参考数据为车辆设置制动能量回收装置。3　纯电动车的动力系统仿真模型构建分析 要为纯电动车动力系统建立整车模型，例如利用AVL-Cruise软件为汽车提供图形化人机交互截面，根据汽车仿真模型构建的相关需求将各个功能模块纳入到Cruise工作区域中，输入计算相关参数，建立模块间的机械、电气连接内容。 （1）整车模块的仿真模型构建。针对整车模块的动力系统仿真模型构建主要采用到了车辆行驶动力学模型，该模型可直观快速反映车辆行驶在各个方向所受到的外力影响，这其中就包括了空气阻力、爬坡阻力、滚动阻力以及加速阻力等等。首先需要明确整车的当前负荷状态对于汽车的动力性能与经济性能存在多大影响，然后在AVL-Cruise中分析在满足负载条件固定时，为整车的3个负载阶段建立插值体系并决定插值参数公式如下： 以汽车空载为例，此时就有： 在算式中，需要明确车辆载荷状态相关的瞬态整车质量（kg）（），同时计算车辆整备质量（kg）（），由此可分析得出整车的质心位置与车辆载荷状态相关内容。 （2）电池组模块的仿真模型构建。采用AVL-Cruise为电池组模型建立等效电路模型，与电机模型相互匹配，电池组模型中同样采用到了参数化的建模方式，结合电池组的实际充放电特性曲线以及内阻特性等等内容分析其建模过程。在该过程中可以选择激活电池组对温度的依赖属性，建立简单有效的Rint等效电路模型，明确电池组的中的理想电压源与内阻。图1　Rint等效电路模型 在Rint等效电路模型中，如果将电池组作为输出电源或负载，它的电池组开路电压应该为： 可选用多个电芯电池组参与仿真计算，但要保证每一个电芯参数在静态或充放电过程中能量始终保持相同，避免出现个别电芯过放或过充问题出现，导致电池组整体损坏[2]。4　总结 纯电动车是全球汽车行业领域未来发展大趋势，因此针对它的内部参数与整车性能研究必须到位，特别是对其动力系统关键部位的参数匹配选型、性能仿真计算需要做到面面俱到，有效提升整车性能价值。参考文献：[1]杨程,杜振新.基于某款纯电动汽车动力系统计算与仿真分析[J].科教导刊-电子版（上旬）,2015(07):164-165.[2]熊明洁,胡国强,闵建平.纯电动汽车动力系统参数选择与匹配[J].汽车工程师,2011(05):36-38,52.纯电动汽车动力系统参数匹配选择及计算仿真李　宗（长城汽车股份有限公司,河北 保定 071000）摘　要：现代社会城市化发展快速，城市中的交通负荷越来越中，现代燃油汽车尾气排放所带来的环境污染与噪声污染不容小觑，对城市居民日常生产生活都造成一定影响。纯电动汽车的出现希望解决这一问题，它所采用的是电机代替传统内燃机系统驱动整车，完全利用电能，基本实现了低噪声、零排放，相比于传统燃油汽车也取消了发动机、排气系统以及冷却系统。但是它的汽车动力系统设计也相比于燃油汽车更复杂，本文中简单分析了纯电动汽车的系统参数匹配选择与计算仿真过程，希望进一步了解纯电动汽车。关键词：纯电动汽车；系统参数匹配；驱动系统；计算仿真过程；模型

第５５卷第２期　Ｖ０１．５５　Ｎｏ．２　农业装备与车辆工程　ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ　ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＶＥＨＩＣＬＥ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　２０１７年２月　Ｆｅｂｒｕａｒｖ　２０１７　

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—３１４２．２０１７．０２．００１　

基于ＣＲＵＩＳＥ的小型纯电动汽车　

动力匹配仿真及参数研究　

毛征宇　，吕欣　，蔡志华１，２　

（１．４１１２０１湖南省湘潭市湖南科技大学机电工程学院；　２．４１００８２湖南省长沙市湖南大学车身先进设计制造国家重点实验室）　

［摘要］选取某款小型燃油汽车为原型，根据该车主要技术参数和纯电动汽车设计要求，从理论上对纯电动汽车　的电机和电池主要参数以及传动比进行匹配计算。运用ＣＲＵＩＳＥ软件建立纯电动汽车整车模型，并对其动力性　与经济性进行仿真分析。仿真结果验证了动力匹配结果的正确性和仿真模型的有效性。最后运用矩阵计算模式　分析了整车质量和轮胎半径对整车性能的影响，结果表明，减重和增大轮胎半径可以提高整车经济性和相应的　动力性。为后续进一步的研究工作奠定了基础。　［关键词］ＣＲＵＩＳＥ；动力匹配仿真；纯电动汽车；矩阵计算　［中圈分类号】Ｕ４６９．７２　［文献标志码］Ａ　［文章编号】１６７３—３１４２（２０１７）０２—０００１—０５　

Ｐｏｗｅｒ　Ｍａｔｃｈｉｎｇ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　

Ｓｍａｌｌ　Ｐｕｒｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｅｈｉｄｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＣＲＵＩＳＥ　Ｍａｏ　Ｚｈｅｎｇｙｕ　，ＬＯ　Ｘｉｎ　，Ｃａｉ　Ｚｈｉｈｕａ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ　Ｃｉｔｙ，Ｈｕｎａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　４１　１２０１，Ｃｈｉｎａ；　Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｓｅｄｙ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　Ｃｉｔｙ，Ｈｕｎａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　４１００８２，Ｃｈｉｎａ　［Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ａ　ｓｍａｌｌ　ｆｕｅｌ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｗ鹊ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｒ　ａｎｄ　ｐｕｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｕｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃａｒ　ｍｏｔｏｒｓ　ａｎｄ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓ—　ｍｉｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ａｒｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ　ｍａｔｃｈ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｎ，ａ　ｐｕｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ＣＲＵＩＳＥ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｄｏｎｅ　ｏｎ　ｉｔｓ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｙ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｍａｔｃｈ－　ｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ１．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｇｒｏｓｓ　ｗｅｉｇｈｔ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｒａｄｉｕｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒ－　ｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｌａｙｓ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ＣＲＵＩＳＥ；ｐｏｗｅｒ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｐｕｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ；ｍａｔｒｉｘ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　

第 1 页 共 7 页 纯电动汽车动力传动系统的匹配与仿真

摘 要：纯电动汽车采用5挡变速器相比单挡、两挡变速器时的电机使用效率高，续驶里程长。按整车性能要求计算出所需电机的额定功率和峰值功率，确定电机参数后分别与单挡、两挡和5挡变速器进行动力性分析与匹配，计算表明采用5挡变速器与15 kW电机最高车速能达到96 km/h，高于采用单挡和两挡变速器时最高车速的12.9%和6.7%。最后，结合ADVISOR进行了5挡变速器与15 kW电机续驶里程仿真，其续驶里程为121 km，很好地满足了设计标准，为高效率、低成本的电动车动力系统概念设计指出了一个方向。

关键词：纯电动汽车（EV）；传动系统匹配与仿真；续驶里程；最高车速

中图分类号：U461文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2013.01.09

面临着全球能源危机的不断逼近，各国政府和企业都投入巨大的资金研发新能源汽车。目前，纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车的成熟度还有待发展，纯电动汽车的瓶颈在于其动力电池。动力电池、电机参数、变速器匹配结果的优劣决定着汽车的动力性和经济性。

国内外对电动汽车的研究主要集中在动力电池和电驱动系统控制策略两个方面。查鸿山等从车辆动力学出发建立电机功率计算模型， 第 2 页 共 7 页 结合动力性指标对动力传动系统进行优化[1]；徐亚磊以电动汽车动力性和续驶里程为设计指标，对驱动系统元件参数进行匹配优化设计[2]；王峰等提出了一种新型的调速电机和行星减速机构的动力传动系统，并优化该传动装置参数以提高动力性和经济性[3]；

S. Rinderknecht等将纯电动汽车动力系统细分为轮毂驱动、轴旁驱动和轴中驱动系统，并结合变速器进行了匹配分析[4]。本文依托某纯电动汽车研发项目，对其动力传动系统中电机功率的选择与单挡、两挡和5挡变速器的匹配，理论计算证实采用相同功率的电机使用5挡变速器能更好地满足动力性要求，并运用ADVISOR进行5挡变速器与15 kW电机续驶里程仿真，仿真结果表明其续驶里程超过国家标准。

技术协作信息技术探讨与推广

本文以满足动力性需求为前提，以提高整车经济性并降低整车成本为目标，在动力系统部件特性分析结果的基础上，探索纯电动汽车整车动力系统参数匹配技术的关键。在满足续驶里程约束的前提下满足整车系统目标；充分考虑工况和系统效率对整车性能的影响，提出对动力系统参数进行了综合寻优操作，在手动整定方法基础上进一步提高了整车的经济性潜力。纯电动汽车动力系统参数匹配设计及优化◎姚泳

发展新能源汽车包括混合动力汽车（HEV）、纯电动汽车（PEV）以及燃料电池汽车（FCEV）是实现我国能源安全和环境保护以及中国汽车工业健康可持续发展的必然趋势。纯电动汽车以车载二次电源作为储能方式，以电动机为动力装置驱动车辆行驶，相比混合动力汽车而言，具有零排放、低噪声且结构简单等特点。本文以满足动力性需求为前提，以提高整车经济性并降低整车成本为目标，在动力系统部件特性分析结果的基础上，探索纯电动汽车整车动力系统参数匹配技术的关键。在满足续驶里程约束的前提下满足整车系统目标；充分考虑工况和系统效率对整车性能的影响，提出对动力系统参数进行了综合寻优操作，在手动整定方法基础上进一步提高了整车的经济性潜力。一、动力系统参数匹配目标根据纯电动整车的基本性能要求以及用户和市场的接受度影响因素，综合确定纯电动汽车动力系统参数匹配目标如下：1.动力性约束。整车动力性是整车驾驶性能的基本保证，关系到驾驶员的直观操作感觉。因此，应考虑满足整车动力性指标要求，确保整车能够达到基本的动力性指标，如最高车速、加速时间以及爬坡度等。2.经济性提高。整车经济性体现了纯电动整车的能耗水平，是评价纯电动汽车技术水平的关键指标之一，尤其是纯电动汽车搭载能量有限，通过参数匹配的方式提高整车经济性潜力至关重要。3.降低成本。整车成本问题是制约动纯电动汽车产业化发展和市场推广的一个主要因素，尤其是纯电动汽车需较多的电池以满足功率和能量的要求从而导致电池数量增多、初始配置成本较高，而且动力电池循环使用次数受到使用制度的极大影响，往往先于整车而提前“报废”从而不得不更换电池导致维护和使用成本的大大增加。因此，应从初始配置成本和维护使用成本两方面予以考虑，在满足整车需求的情况下，通过合理匹配动力系统参数，达到降低成本的目的，提高市场及用户的接受度。二、动力系统参数匹配任务系统参数匹配的主要任务是确定动力系统部件的选型和参数确定，也就是电机系统、电池系统以及变速器的样式和他们的关键特征参数的设定。1.电机系统。永磁同步电机已基本成为纯电动轿车的主流电机型式，尤其是我国还兼具稀土资源丰富的资源优势。对电机系统的参数匹配关键在于对峰值功率、峰值转矩、基速、最高转速、额定转速、额定功率等主要特征参数的确定。2.电池系统。磷酸铁锂电池具有较好的热稳定性和安全性，且具有较大的资源和成本优势，因而仍将其作为动力电池的目标型式。而电池系统的参数匹配主要表现为对电池容量和节数的配置，另一方面还应根据容量和续驶里程指标要求综合确定放电深度（DOD），并将作为整车对电池的关键控制参数之一。3.变速器。根据两档变速器的优势和应用趋势，选择两档变速器作为变速器匹配的基本型式，而参数确定的关键则主要在于两档速比的确定。三、动力系统参数匹配原则根据动力系统参数匹配的目标要求，在满足动力性的前提下，提高经济性并降低成本是参数匹配的关键。通过比对分析，纯电动汽车整车整备质量对能耗敏感度较高，降低整备质量能够有利于能量利用率的提升，从而提高整车经济性；另一方面，动力系统部件体积和质量的降低也基本可以标志着自身成本的降低，因此，通过动力系统参数匹配实现整车整备质量的降低能够获得兼顾经济性和成本的双重目标，应将整车降重作为关键的匹配原则之一。同时，将实际工况作为参数匹配的重要输入条件之一，以整车实际行驶工况下的续驶里程及能耗水平作为目标实现动力系统参数的合理配置，也是提高整车经济性的一个重要手段。另外，从整车需求角度进行动力系统的参数匹配不应忽视现有的部件供应体系和资源优势，应在充分考虑现有资源的基础上，优化动力系统参数的配置，对供应商提出更为切实可行的技术需求，以尽可能降低系统优化和整车开发成本。四、动力系统参数匹配方案基于动力系统参数匹配的目标和原则，根据执行过程的繁简程度不同，制定以下两种参数匹配优化方案。1.“整备质量最小”手动参数整定优化方案。基于整备质量对整车性能影响的重要性，确定以降低整车整备质量主要调参目标，以动力性需求为切入点，以保证单次充电续驶里程和动力电池全生命周期续驶里程为主要约束条件，通过流程计算及手动参数整定的方式完成纯电动汽车整车动力系统关键特征参数的优化配置。其中，该方案的特点是突出“降重”的核心思想，并将单次充电续驶里程和动力电池全生命周期里程作为主要的约束条件参与动力系统关键参数的整定过程，以实现动力系统参数合理匹配的目的。其他关键参数主要包括电机系统额定参数以及传动系统参数的确定。2.“全局优化”匹配方案。手动参数整定方案主要侧重对整备质量的优化，而未充分考虑行驶工况运行效率对经济性的优化潜力，针对此，提出全局优化方案，将整车经济性以及整备质量作为综合优化目标，以动力性为约束条件，建立优化软件和纯电动整车性能仿真软件相联合的参数优化机制，将动力系统参数作为优化变量，对其进行综合寻优操作，实现动力系统参数的全局优化，以最大程度发挥动力系统参数匹配对整车性能提升的潜力。该方案主要基于迭代优化的思想，考虑了实际运行工况以及部件效率特性对整车性能的影响，以优化软件作为调参工具，并借助纯电动整车性能仿真软件平台计算性能评价指标，引导优化行为的实现。其中，优化软件主要解决根据目标函数的运算结果选择并迭代更新优化变量的任务；而纯电动整车性能仿真软件则主要是接受优化软件赋予的各变量值，并解决优化问题各性能指标及约束条件计算等任务。以此逐步迭代找到满足要求的最优参数组合，实现动力系统参数的全局优化设计。（作者单位：牡丹江市清雪服务中心）窑窑