基于CRUISE纯电动汽车匹配计算与仿真

基于CRUISE纯电动汽车匹配计算与仿真朱鹏飞赵文杰许宏云合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥230009【摘要】建立纯电动汽车的动力系统结构和控制策略，提出动力系统的匹配设计方法，在理论设计和工程分析的基础上，对其电机、电池以及传动比进行了匹配。应用CRUISE软件搭建模型进行仿真研究，证明匹配的结果满足设计要求，表明这种方法可行有效，为后续研究奠定基础。【ABSTRACT】THEDYNAMICSYSTEMATICSTRUCTUREANDCONTROLSTRATEGYOFPUREELECTRICVEHICLEISESTABLISHED，THEMATCHINGDESIGNMETHODOFPOWERSYSTEMISPUTFORWARDTHEMOTOR，THEBATTERYANDTRANSMISSIONRATIOAREMATCHEDBASEDONTHETHEORETICALDESIGNANDENGINEERINGANALYSISBYUSINGTHECRUISESOFTWARE，AMODELISESTABLISHEDANDAEMULATIONALRESEARCHISCARRIEDONTOPROVETHATTHEMATCHINGRESUHMEETSTHENEEDOFTHEDESIGNTHECONCLUSIONISTHATTHEMETHODISPRACTICABLEANDEFFECTIVEANDTHEFOUNDATIONFORTHEFUTURERESEARCHISESTABLISHED【关键词】纯电动汽车参数匹配仿真DOI103969JISSN10074554201209030引言目前，能源与环境已成为全球关注的问题，汽车行业在推动经济发展的同时也带来了严重的污染，在当前技术条件下发展电动汽车无疑是汽车行业向前发展的一种选择，在电动汽车的研发过程中，采用专业软件CRUISE对电动汽车进行建模及仿真研究，可以节省大量的时间，使模型过程简单化J。本文以南洋集团NY727EVT纯电动汽车开发为例，在动力参数匹配中首先确定驱动电机，然后合理匹配传动系参数和选择动力电池容量以实现综合性能优化设计目标。1纯电动汽车的参数匹配计算11纯电动汽车的基本参数及设计要求收稿日期20120703上海汽车201209电动汽车的动力性能主要取决于动力系统的参数匹配包括动力源、驱动电机、动力电池、变速器等J。本文根据电动汽车的参数和设计要求，通过理论计算，完成电动汽车的动力匹配，包括电机、电池、变速器等。试制研发的纯电动汽车的整车主要参数如表1所示。表1整车主要技术参数满载质量KG2245轴距MM279O整备质量KG1870外形尺寸MM48651805X1480迎风面积M2617风阻系数O35车轮半径MM307滚动阻力系数0015纯电动汽车动力性能指标如表2所示。12驱动电机参数选择与匹配驱动电机是电动汽车的动力源，对电动汽车的动力性和经济性影响最大，驱动电机的参数选择与匹配包括电机的最大功率和额定功率、电机的最高转速和额定转速等。表2纯电动汽车设计要求最高车速KMH12O加速时间S10050KMH动力性加速时间SL55O80KMH摄大爬坡度2O15KMH60KMH续驶里程KIN200经济性NEDC续驶里程KM15O121电机峰值功率和额定功率的匹配电机峰值功率通常依照纯电动汽车的最高车速UKMH、加速时间TS和最大爬坡度。来确定。首先，根据最高车速UMAX确定的最大功率1式中叼为传动系效率；为滚动阻力系数；C。为空气阻力系数；A为迎风面积M；为爬坡时的最高车速。其次，根据最大爬坡度确定的最大功率PMC。SSIN22115式中Z为最大爬坡度时的车速；OD为最大爬坡度TAN一而BMAX。最后，根据加速时间T来确定最大功率PMA妇表MGFUT2115235式中T。为汽车加速时间；Z为汽车的加速末速度。电机的最大功率P必须同时满足的条件PP，PX2，P】【33将表1中的整车参数代入上述公式并按照表2设计要求，计算得P】37286KW，PX22147KW，P584KW。故可选P65KW。电动机的额定功率应满足最高车速的90或者我国最高限速120KMH匀速巡航行驶的功率P额I90P13357KW，可选额定功率为L235KW。此时的过载系数APP额186。122电机额定转矩及最高转矩的选择电机的最大转矩满足电动汽车的起步加速和最大爬坡度，同时结合传动系最大传动比和来确定。去LMAX4式中R为轮胎滚动半径；IM为传动系的最大传动比。123电机的选择根据电机实际特点、一般车用电机特点、合理的过载系数，选择合理的最高转速和额定转速，综合以上计算结果和分析，选用尤奈特永磁无刷直流电机，该电机主要性能参数如表3。表3电机的基本参数峰值转速类型峰值功率KW额定功率KWRRAIN永磁直流电机65359OOO峰值扭矩额定扭矩额定转速电机尺寸NMNMRMIN240L440M动比的选定电动汽车传动比的选择对其动力性、经济性有着明显的影响，一般来说，传动比越小则其获得的最高车速越大，传动比越大则其爬坡能力和加速能力越大，但其能耗变大，所以为了兼顾动力性和经济性，电机具有较理想的外特性曲线，一般设置13个档位即可。131最小传动比的选取一般最小传动比是依据电动汽车的最高车速和电机最高转速来计算的II0377R5式中2MAX为电动汽车设计的最高车速。132最大传动比的选取最大传动比依据最大爬坡度和最大扭矩决定OMAX6。叼上海汽车201209式中为电机的最大输出扭矩。综上，经过计算得到I868，I1385，电机具有较理想的外特性曲线，所以电动汽车不需要像传统汽车要设置较多档位，根据试制的纯电动汽车的要求，本变速器为3档变速器，主减速器传动比IO4512，1档IL1861，2档I2411，3档I3125。14电池组参数设计锂电池有能量密度高、使用寿命长、安全性好、可快速充电等优点，通过对比国内外各种锂离子电池的发展情况、国家相关产业政策、商品化、性能、安全性、一致性等综合因素，采用国内主流的磷酸铁锂动力电池，电池单体使用1865140单体。电池组电压等级与电机工作电压相匹配，此电机的额定电压288V，确定电池组电压等级V032X90288V。电池的能量计算公式为UBXC1000式中为电池组的实际能量；U为电池组的平均工作电压；C为电池组的总容量，电动汽车续驶里程5KM所需的能量，可用等速法和工况法来计算。在初步设计中，采用等速法进行续驶里程初步计算，在后续设计中应用国标中规定的工况来仿真校核续驶里程，所以汽车以等速行驶，可得阻力功率及整车能量消耗为M8PP9WRNADPTPSU。10式中P。为汽车等速行驶所需的功率；WR。为车辆续驶里程S所需的能量；S为电动汽车的续驶里程设计要求；P为电机控制器输入功率；为电机与电机控制器总成效率，可在测试平台上测得对应转速及负载的效率。电池组的能量满足的条件GWR。电动汽车行驶消耗的能量为电池组输出的电能，即。WRO，式中。为电池组有效电容量系数，该系数取08。根据以上的公式可得到满足续驶里程的电池组容量为上海汽车2012091000P。S综上得到满足续驶里程200KM的最小电池容量C149739AH，最终选取动力电池的容量C150AH，动力电池的组合方式是15并90串，即15P90S，动力电池的参数如表4。表4磷酸铁锂离子电池组参数名义容量单节电压单体质量总电压电池总质量AHVKGV节数KG10L32365O322882854322AVLCRUISEV2010中的建模与仿真CRUISE是奥地利李斯特内燃机及测试设备公司开发的研究汽车动力性、燃油经济性、排放性能及制动性能的高级仿真分析软件J。21整车仿真模型的建立根据汽车动力传递路线电机一离合器一变速器一主减速器一差速器一车轮，建立整车结构模型。模型的建立中有机械连接和电气连接，难点是电气连接，它有关纯电动汽车的控制原理和信息传递，必需对其有很好的理解，才能连接无误。22输入计算参数CRUISE软件的参数输入是图形化界面，输入的数据包括迎风面积、轴距、空气阻力系数、整车装备质量、滚动阻力系数、电机MAP图、各档传动比、主减速比、电池电压、电池数目、车轮的半径、传动系效率等。23设定计算任务根据测试的需要，该纯电动汽车采用60KMH等速工况和国标NEDC循环工况欧洲循环工况作为仿真工况，并设定最大爬坡度分析任务和稳态行驶性能分析任务60KMH等速工况可以在CRUISE软件的计算任务模块TASTFOLDER下的PROFILE文件下应用TABLEEDITOR进行编辑，可以用时问或者路程作为X轴，为了得到在等速工况情况下的续驶里程，应当以路程作为X轴，可以将X轴即13路程编辑得足够长，这样就能清楚地看到SOC的变化情况，从而得到等速工况的续驶里程。新欧洲循环工况NEDC由4个ECE工况与一个EUDC工况叠加而成。如图1所示该工况总行驶里程1093KM，历时1225S，最高车速120KMH，平均车速321KMH，最大加速度106MS，最大减速度一139MS，行驶期间共停车13次，怠速时间为339S。图1NEDC工况车速与时间关系曲线24仿真结果1循环工况下电机特性分析。根据图2知，在循环工况中，电机的工作效率大部分集中在81915高效率范围内，由于此纯电动汽车的档位数为3，可以设置最佳经济性换档规律，有利于电机工作在高效区，提高续驶里程。在循环工况中的最高车速120KMH时，电机的输出功率为627KW，没有超过电机的最高功率65KW。0彻1枷2LN0捌350,0伽49005600070,0770,084009100蚴10501L201I90时间SL4图2电机输出效率和输出功率曲线2加速结果分析。根据CRUISE从静止连续换档全负荷加速仿真任务计算得到纯电动汽车050KMH和5O一80KMH超车加速下的时间。在RESULT文件中可得到仿真结果，具体数据如表5和表6所示。表5050KMH加速时间车速KMH1020304050时间S1O72183615O872L距离M148617L62430535692电机转速RMIN1218243628L937593627表65080KMH加速时间车速KMH50607080时间SO209435712距离M03194729313O69电机转速RMIN362743535O7858043最大爬坡度结果分析。不同档位、不同车速下的最大爬坡度如图3所示，从曲线可看出1档的爬坡度是最大的，由于电机在基速N。之前是恒转矩输出，所以爬坡度曲线较平稳，基速之后是恒功率输出，爬坡度曲线如双曲线下降，得到车速为15KMH时的最大爬坡度值为2730。蛘LL档爬坡度T2档爬坡度、L3当爬坡度、O90LO27036045D54063_072D810990L08_0117L0车速0M图3档位、车速与爬坡度曲线4最高车速结果分析。不同档位的最高车速统计如表7所示。表7各档最高车速档位车速KMH转速RRAIN173008893502957590000O3124O0899691上海汽车201209如296亭瓣督要如龇姆糌按嚣5续驶里程结果分析。在计算任务当中建立匀速循环工况，将循环距离设为250KM，便可得到电池SOC的变化曲线，如图4所示，当SOC15的点的横坐标作为电动汽车的续驶里程，则52247KM。删馋_一JI二一_JJJ一一一一一一一一一一一一一4一二“一4卜斗4_UJ一IL一U_一J_00一一一JL；_L_，一卜|，一_J_一一L一_0200060O010O00L4O00180000,0Z抑O026000300O0呻34000距离M图4匀速60KMH行驶时SOC变化曲线NEDC循环工况时动力电池SOC的变化曲线如图5所示。皿唧稚、L时间S图5NEDC工况行驶时SOC曲线续驶里程SSOCASOCXSHEDC15233KM，式中SOC为电池组有效电容量系数，此处取08，电池的容量允许从95放电到15；ASOC为一次NEDC循环工况电池SOC的变化量。6结果对比。设计要求、理论计算与仿真结果对比如表8所示。3结语计算结果表明，以磷酸铁锂电池为动力源的上海汽车201209表8整车仿真结果对比数值设计要求理论计算仿真结果指标、最高车速KMH12O12435124OO最大爬坡度2O26302734车速20KRNH加速性能S050KMH1058572L加速性能S508OKMH15708712续驶里程60KMH20O2003522475续驶里程NEDC工况1501555215233电动汽车的加速性能、爬坡能力、最大速度、续驶里程等性能指标都满足设计要求，跟理论计算的结果非常接近，验证了仿真模型的正确性和有效性，为电动汽车的设计、动力性能预测和分析提供了一种有效方法和手段，也为后续的研究工作奠定了基础，可以在此模型的基础上研究制动能量回收、电机的控制、电池管理策略、基于各种算法的传动系速比的优化以及整车控制策略等，为纯电动汽车的各种研究提供了模型。参考文献1刘松灵，顾力强基于GRUISE的混合动力汽车传动系统建横与仿真分析J传动技术，2008，22421452王天利，于洋，王磊基于某型纯电动汽车的动力匹配及仿真优化研究J农业装备与车辆工程，2012225283刘灵芝，张炳力，汤仁礼某型纯电动汽车动力系统参数匹配研究J合肥工业大学学报，2007，3055915934姜辉电动汽车传动系统匹配及优化D哈尔滨哈尔滨工业