基于 CRUISE 的纯电动汽车动力系统参数匹配与仿真

第29卷第3期安徽工程大学学报Vol.29.No.3 2014年9月Journal of Anhui Polytechnic University , Sep.2014 文章编号: ( ) 基于CRUISE的纯电动汽车 动力系统参数匹配与仿真 牛明强,郭兴众?,孙驷洲,李慧媛 (安徽工程大学安徽省检测技术与节能装置重点实验室,安徽芜湖241000) 摘要:开发和研究纯电动汽车是实现节能减排目标的重要手段之一.针对一款已知基本技术参数的电动汽车,根据该车动力 性和经济性设计要求,基于理论计算对主要部件参数进行匹配设计,然后采用CRUISE软件搭建整车模型,对整车性能仿真 分析.通过结果分析,理论设计参数满足设计要求,验证该方法的可行性,为 纯电动汽车进一步设计研究提供理论依据. CRUISE 关键词:纯电动汽车;参数匹配; 仿真 V462.3+1 V462.3+4 A 中图分类号: , 文献标识码: 动力性和经济性是汽车重要的性能指标.动力性能通常用最高车速、加速时间和爬坡能力予以评价,经济性能通常用等速行驶与城市工况运行整车续驶里程予以评价[1].合理良好的整车参数匹配方法不仅可以满足整车的动力性要求,而且可以提高车辆续驶里程,提升车辆经济性能.使用专业汽车仿真软件搭建所开发车辆的模型,对整车主要性能进行仿真分析,缩短其开发周期,降低开发成本[2]. 纯电动汽车以车载能源(动力电池、超级电容等)为储能动力源,具有零排放、低噪声、应用成本低等优点,是汽车行业未来的主要发展方向.本文以某一款纯电动汽车开发为例,根据纯电动汽车理论设计原理,对整车参数进行匹配计算,并采用CRUISE软件搭建整车模型,对其动力性、经济性进行仿真分析研究. 1参数匹配计算 纯电动汽车动力系统参数匹配的主要任务是完成动力系统部件的选型和参数确定,即确定电机、电池 .1. 以及变速器的型式及其关键特征参数本文选取某电动汽车为研究对象,整车关键参数如所示根据 设计要求,本文设计的纯电动汽车性能指标如表2所示. 表1纯电动汽车关键参数 技术参数参数值技术参数参数值技术参数参数值 外形尺寸/mm 4155?1650?1445迎风面积/m22.6风阻系数0.30轴距/mm 2400整备质量/kg 1550滚动阻力系数0.01车轮滚动半径/mm 307满载质量/kg 1850 表2纯电动汽车性能指标 动力性经济性 最高车速最大爬坡度0~100km/h 60km/h NEDC /( / ) /( ) 加速时间/() 续驶里程/( ) 续驶里程/( ) km h %s km km 1253015140100 1.1电机参数匹配 驱动电机是纯电动汽车唯一的动力来源,是决定整车动力性与经济性的关键因素之一.选择电动汽车的驱动电机,需要匹配的参数主要有电机的类型、功率、转速和转矩等.电动汽车驱动电机功率应能满足电动汽车对最高车速、最大爬坡度以及加速时间的要求[3]. (1)最高车速时,忽略坡度阻力,车辆主要受到滚动阻力和风阻的影响,最大需求功率为: 收稿日期:2014-04-10 基金项目:安徽省自然科学基金资助项目(1408085ME1 05)作者简介:牛明强(1989-),男,安徽淮北人,硕士研究生.通讯作者:郭兴众(1962-),男,安徽阜阳人,教授,硕导. 50 安 徽 工 程 大 学 学 报 第 29 卷 u max ? C D Au 2 ? , () P v = mg f + max ? . 3600η ? ? 1 21 15 式中 u 为最高车速 C D 为空气阻力系数 η 为传动系效率 本文取 = . f 为滚动阻力系数 A 为迎 , max , , ( 0 9 ), , 风面积. / )爬上一定坡度 j max 时,最大需求功率为: ()汽车以某一速度 u (本文取 u =2 u α ? 20 km h C D Au α2 ? , () P i = mg f αmax +mg αmax + ? . 3600η ? cos sin .? 2 式中,αmax =j max . 21 15 × 2 5 arctan (3)车辆加速过程中,忽略坡路阻力,所受到的阻力主要包括滚阻、风阻以及加速阻力,加速后期所需功率最大, 最大需求功率为: u m ? 1 C D Au m 2 u m ? , () P j = mg f t m + t m +δm ? 21 15 2 5 η ? 1 5 2 t m ? 3 3600 t m . . × . 式中,u m 为加速末汽车速度,t m 为加速时长,δ 为旋转质量换算系数. 电动汽车驱动电机最大功率应能同时满足不同工况下的工况需求,即大于汽车对最高车速、爬坡度以及加速时 间的功率要求,所以驱动电机最大功率 P max 需满足条件为: P max ≥ max {P v ,P i ,P j } , 4 () P max =λP 额 , 5 30 53 kW 72 6 kW () 将本文研究汽车相关参数带入上述式中得出P v = 30 1 kW ,P i = ,P j = .因此电机最大功 . . . 率可选 P max = 73 kW 120 km h .一般取我国道路最高限速( / )的稳定行驶功率作为电机额定功率下限值[4 ], 本文取 P 额 = 30 kW 5 2 43 .由式()计算可知,电机过载系数λ= . . 驱动电机最大转矩T max 需要满足汽车起步转矩和最大爬坡度转矩需求.在确定驱动电机最大转矩时, 认为汽车以恒定速度行驶,则此时车辆行驶方程为: , () 即 6 T max i max η m α + 1 AC D u w 2 + m g α , () r d cos sin 2 7 因此,电机最大转矩为: 1 ? AC D u α2 +m ? ?? mg f α+ α T max = ? cos 2 g sin ? r d , () i max 8 式中,r d /(m )为轮胎滚动半径,i max 为最大传动比. η 永磁同步电动机结构简单、体积小、效率高,且永磁同步电机驱动系统在控制方式上可实现数字化,结构上可 实现电机与齿轮箱一体化.基于以上优点,永磁同步电机被广泛应用于各种电动汽车驱动系统 中 [5 ] .据此,本文选择富奥汽车零部件股份有限公司生产的永磁同步电机主要性能参数如表 3 所示. 表 3 电机主要性能参数 电机类型 额定功率 额定转速 额定转矩 额定电压 最大功率 最大转速 最大转矩 ( ) (/ )( m ) ( ) ( ) (/ )( m ) kW r min N V kW r min N 永磁同步电机 30 3 500 82 320 73 9 000 199 1.2 动力电池参数匹配 相比传统的铅酸电池,锂电池具有较高的能量密度,且有循环使用寿命长、安全系数高等优点,被广泛应用在纯 电动汽车和混合动力汽车上.通过综合分析多种形式的锂电池组的安全性与存储性能等,本文选择磷酸铁锂离子电池组作为该车的储能装置. 电池组电压等级应与电机工作电压相匹配,确定该车电池组电压等级U0=320V.根据整车设计目标要求,在电池组有效放电容量内,汽车以60km/h等速运行的续驶里程S至少为140km.电动汽车以u ele匀速行驶,电池负载功率为: 第3 期 牛明强,等:基于 CRUISE 的纯电动汽车动力系统参数匹配与仿真 51 P ele = u ele ? C D Au ele 2 ? , mg f + ? 21.15 , , 3600ηT ηcon ηbat ? ? , , 式中 P ele 为电池负载功率 ηT 为传动系效率 ηcon 为电机效率 ηbat 为电池组放电效率. 等速 u ele 条件下,满足一定行驶距离 S 所需能量为: P ele S , W road =P ele ×t = u ele (9) (10) 电池组能量需要符合的要求为W ele > W road . 动力电池在一定的放电深度下,所能放出的额定能量为: U C soc W ele = , ( ) , , ( 1 000 ) 11 式中 ξsoc 为电池组有效放电容量 本文取 0 8 15% ~ 95% . .10 11 )可得满足汽车续驶里程条件下动力电池组容量为: 由式( )与式( C = 1 000P ele S , ( ) U soc U ele 12 15% . 同时,本文还考虑到在实际运行时,汽车耗电附件耗电量约占整车耗电量 左右 将相关参数带入 计算确定电池组总电压为U 0 = 320 V ,容量 C = 60 Ah .本文确定的电池组具体参数信息如表4 所示. 表 4 电池组主要参数 电池组类型 名义容量/(Ah ) 单体标称电压/(V ) 总电压/(V ) 电池节数 磷酸铁锂离子电池组 60 3.2 320 100 1.3 传动比匹配 在电机输出特性一定时,电动汽车传动比的选择应满足汽车动力性能的要求,即应满足汽车最高期望车速 u max 、最大爬坡度αmax 以及加速时间 t m 的要求[6 - 7 ].本文所研究的电动汽车采用固定速比单档减速器驱动车 轮行驶,以提高传动效率及能源的利用率. 传动系传动比的上限主要是根据发动机或者电机最高转速和车辆的最高车速共同确定的,其计算为: i max = . n max r d , 0 377 u max i =i 0 i g , 其中,n max /(r/min )表示电机最高转速,u max 表示汽车的最大速度,i 0传动比. (13 ) (14) 为主减速器传动比,i g 为单级减速器 对于传动系传动比下限的计算,主要由车辆设计最大爬坡度和电机最大转矩确定的,其为: i min =F i max r d , ( ) ηT max 15 其中,F i max 表示最大坡度行驶时车辆所受阻力,T max 表示电机最大输出转矩. 根据式(14)和式(15 )综合考虑,该汽车总传动比为8 .3,主减速器传动比取4.322 ,单档减速器传动比为1 .92 . 2 AVL CRUISE 建模与仿真分析 2 .1 仿真模型建立 CRUISE 软件是一种针对汽车动力性、经济性进行分析的软件,采用模块化的设计方法,可以搭建多种结构形式的汽车传动系统模型,并可针对性地制定多种汽车性能仿真任务.本文整车模型模块选用整车模块、驾驶室模块、单级减速模块、电机、电池、车轮和制动器等模块,车辆模型如图1 所示. 2.2 仿真结果分析 (1)循环工况下整车特性分析.本文采用新欧洲循环工况(NEDC),基于准静态仿真,循环过程整车速度与瞬态电耗如图2 所示.由速度曲线可知,匹配后的车速满足 NEDC 工况要求,跟随速度良好,行驶平稳,对应 SOC 变化也较为稳定.由 SOC 曲线可知,在工况运行前期,车速较低,电机需求功率较小,SOC 水 52 安 徽 工 程 大 学 学 报 第 29 卷 平下降缓慢;在工况运行后期,随 着汽车速度增大,电机需求功率较大,SOC 下降迅速;停车时 SOC 没有明显变化,这是因为针对纯电动汽车电机无需怠速运转,停车时电机随即停止运行,不消耗能量. (2)加速工况分析.加速过程中,电机功率与车速变化如图3所示.驾驶员对目标功率需求越来越大,电机功率随之增大,直至达到电机最大有效功率.加速前期, 车速变化迅速;加速后期,电机达 图1 整车 CRUISE 模型 到最大功率后,车速变化逐渐趋 . CRUISE 软件的 re- 于平缓根据 sult ,得到该车具体的全负 荷加速任务结果,具体数据如表5 . 5 可知,该车由静止加 所示由表 速至 100 km/h 所需时间为 14.85 s,行驶距离为240.07 m . ()最大爬坡度结果分析汽 图 2 NEDC 工况车速与 SOC 变化图 图 3 加速工况车速与电机功率图 3 . 车最大爬坡度是汽车动力性能的 一个重要指标,本文匹配对象的爬坡度曲线如图4 所示.由图4 可知,该车在速度为20 km/h 时,最大爬坡度为 32 .68 %.在实际车速小于电机额定转速所对应的车速时,电机运行在恒扭矩工作区间,输出的最大扭矩恒定,所以汽车最大爬坡度变化很小;在实际车速大于电机额定转速所对应的车速时,电机运行在恒功率工作区间,输出的最大功率保持恒定,所以车辆最大爬坡度随车速的增加而不断减小. 表5 0 ~100 km/h 加速时间 车速/( / ) 时间/() 距离/( ) 电机转速/(/ ) 车速/( / ) 时间/() 距离/( ) 电机转速/(/ ) km h s m r min km h s m r min 20 2.29 6.05 1434.43 80 10.20 123.17 5 737.43 40 4.48 24.43 2 868.59 100 14.85 240.07 7 171.48 60 6.85 5 7.52 4 302.89 (4)最大速度结果分析.该车最高车速曲线如图 5 所示,根据 CRUISE 软件的 result 报告,可得该车最大速 度为126 km/h .满足本文整车最大速度125 km/h 的设计要求. (5)续驶里程结果分析.该车以 60 km/h 车速匀速行驶的电池 SOC 变化曲线如图 6 所示.本文电池组有效容 量为80%,根据 CRUISE 软件的 result 报告查知,该车 SOC 为15%时,续驶里程为144.67 km,满 足整车设计要求140 km .NEDC 循环工况时,由循环工况下整车特性分析可知,一个循环工况电池组 SOC 变化量.计算可得 NEDC 循环工况续驶里程为 S =109 .7 km . (6)仿真结果与设计目标对比.本文针对开发车型的 CURISE 仿真结果与开发前的设计目标对比结果如表6 所示.由表6 可知,经过理论设计匹配的整车传动系统参数满足设计要求. 表 6 整车设计目标与仿真结果对比表 指标 设计目标 仿真结果 指标 设计目标 仿真结果 最高车速/( / ) 125 126 / 续驶里程/( ) 140 144.67 km h 60 km h km % 30 32.68 NEDC km 100 109.7 最大爬坡度/( ) 工况续驶里程/( ) / 加速/() 1514.85 0~100km h s 第3期牛明强,等:基于CRUISE的纯电动汽车动力系统参数匹配与仿真53 图4汽车爬坡度曲线图5车辆最高车速曲线图660km/h定速行驶SOC变化曲线 3结论 本文首先对一款处于纯电动汽车的传动系关键部件参数进行设计,然后对其进行建模和仿真.通过建立NEDC工况巡航、最大速度、最大爬坡度和加速度任务得出该车动力性指标,通过建立60km/h等速行驶和NEDC工况巡航任务得出该车经济性指标.仿真结果显示,匹配后的动力系统满足设计要求.本文为电动汽车的参数匹配提供了一种有效的方法参考,也为后续电动汽车的结构优化和控制策略等深入研究奠定了模型基础. 参考文献: [1] 王志福,张承宁.电动汽车驱动理论与设计[M].北京:机械工业出版社,2012 :40-46. [2] 王锐,何洪文.基于 CRUISE 的整车动力性能仿真分析[J].车辆与动力技术,2009 (2):24-2 6.[3] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2009 :3-16. [4] 何洪文,余晓江.电动汽车电机驱动系统动力特性分析[J].中国电机工程学报,2006 ,26 (6):136-140. [5] 周飞鲲.纯电动汽车动力系统参数匹配及整车控制策略研究[D].长春:吉林大学,2013. [6] 郭孔辉,江辉,张建伟.电动汽车传动系统的匹配及优化[J].科学技术与工程,2010(10):3892-3896. [7] 刘贵如,王陆林,张世兵,等.电动汽车电子机械制动系统的研究与设计[J].安徽工程大学学报:自然科学版,2013 ,28 (1):23-26. Parameter matching and simulation for the powertrain of pure electric vehicle based on CRUISE NIU Ming-qiang,GUO Xing-zhong? ,SUN Si-zhou,LI Hui-yuan (Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Energy Saving Devices, Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000 ,China) Abstract:Developing and researching the pure electric vehicle is an important means to realize energy conservation and pollution reduction.As for a pure electric vehicle with basic technical parameters known and dynamic performance and economic consideration,this paper accomplishes the matching design for maj or components based on the theoretical calculation and then gives simulation analysis of the complete vehicle performance using the complete vehicle model built by CRUISE software.Results demonstrate that the theoretical design fulfills the demand and this method works.Also the results provide the theo-retical foundation for further design of pure electric vehicle. Key words:pure electric vehicle;Parameter matching;simulation based on CRUISE