微型纯电动汽车动力系统优化匹配及仿真研究

A版微型纯电动汽车动力系统优化匹配及仿真研究邱利宏合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥230009【摘要】以某微型纯电动汽车作为研究对象，以整车的动力性和续驶里程作为设计指标，通过理论计算匹配并验证了动力系统的关键参数。随后利用CRUISE仿真软件建立仿真模型并进行仿真。最后使用MATLAB优化工具箱对汽车的传动比进行优化，并将优化前后的仿真结果与理论计算进行对比。仿真结果表明汽车动力系统的选择和匹配是合理的。【ABSTRACT】AMICROELECTRICVEHICLEISTAKENASTHERESEARCHOBJECT，ANDTHEVEHICLE，SPOWERPERFORMANCEANDMILEAGEARETAKENASDESIGNTARGETSTHROUGHTHEORETICALCALCULATION，THEKEYPARAMETERSOFPOWERSYSTEMAREMATCHEDANDVERIFIEDTHENCRUISESIMULATIONSOFTWAREISUSEDTOESTABLISHANDSIMULATETHESIMULATIONMODE1FINALLYMATLABOPTIMIZATIONTOOLBOXISUSEDTOOPTIMIZETHETRANSMISSIONRATIO，ANDTHESIMULATIONRESUHSBEFOREANDAFTEROPTIMIZATIONARECOMPAREDTOTHERESULTSOBTAINEDTHROUGHTHEORETICALCALCULATIONTHESIMULATIONRESULTSHOWSTHATTHESELECTIONANDMATCHINGOFAUTOMOBILEPOWERTRAINAREREASONABLE【关键词】纯电动汽车参数匹配仿真DOI103969JISSN10074554201309O1近年来，世界各国越来越关注环境污染和能源问题，许多国家都投入大量的人力物力来研发电动汽车。但到目前为止电池难题尚未攻克，电动汽车的发展和普及面临瓶颈。因此，如何合理地选型及匹配相关参数，在满足整车动力性要求的前提下增加续驶里程至关重要。本文以奇瑞RICHM1EV纯电动汽车开发为例，根据给定的设计指标及基本参数，通过理论计算初步确定了电机、动力电池以及传动系统的基本参数。最后使用CRUISE仿真软件建立了电动汽车仿真模型并进行了仿真。1电动汽车动力系统参数匹配11微型纯电动汽车基本参数和设计指标收稿日期20130708上海汽车201309电动汽车的动力性主要取决于动力系统的参数匹配以及匹配之后的相关零部件的性能包括动力源、驱动电机、动力电池和变速器等。待研发的微型纯电动汽车的基本参数如表1所示，动力及经济性能设计指标如表2所示。表1整车主要技术参数指标值指标值整备质量KGL060满载质量KG1360外形尺寸MM3061L587X1527轴距MM2330轮胎规格17560R14迎风面积M。22风阻系数O35滚动阻力系数001412驱动电机参数选择与匹配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、电机的最高转矩和额定转矩以及最高转速与额定转速等。3表2微型纯电动汽车设计指标指标值最高车速KMH11010050KMH加速时间S155O8OKMH最大爬坡度2015KMH等速60KMH续驶里程KM150NEDC续驶里程KML1O百公里耗电量等速60KMH12KWHNEDC工况18121电机的峰值功率和额定功率的匹配通常依照纯电动汽车的最高车速U一最大爬坡度和加速时间T050KMH段和5080KMH段须分别考虑来确定电机峰值功率，分别计算为PMAXL1PM啦MOS一GSINCDA32PMA妇溢1_咖NMAX3000RRAIN4123电机的峰值转矩与额定转矩的计算PRUTED95509550篆P9550一一A一K5式中，N为电机的额定转速；A为电机的过载系数。14325NM63000MAX，电机的额定转矩为RR95509550637NM7NJUUU124电机的选择根据以上的计算，可以选择一个永磁无刷直流电机为此微型纯电动汽车的驱动电机，其基本参数如表3所示。表3电机的基本参数额定功率KW额定转速RMIN额定转矩NIN203OOO637最大功率KW峰值转速RMIN最大转矩NM459OOO143313传动比的选定式中，U为爬坡速度，取为15KMH；6为汽车旋转质量换算系数，取108；为加速末的速度MS；T为汽车的加速时间S；取05；D为迭代步长，通常取为01S；叼为传动系统机械效率，取为09。其余字母的含义比较直观，其取值在前面的表格中都有提到，在此不作赘述。可得P373KWI1，2，3考虑到一些附件的损耗，可取电机的峰值功率P45KW。电机的额定功率应满足最高车速的90匀速巡航行驶的功率要求，可定额定功率为20KW。此时电机的过载系数为A225，其取值范围一般是23，故满足要求。122电机的峰值转速和额定转速的选择汽车用电机一般是高速电机，综合考虑各方面的问题，可选择电机的峰值转速NMAX为9000RMIN。电机的扩大恒功率区系数的取值范围是24，可取3，则有电机的额定转速为D电动汽车的传动比对其动力性和经济性有着显著的影响。所以必须对传动比进行合理选择。131最小传动比的选取一般可以依据电动汽车的最高车速和电机的最高转速来计算IMINO3778MAX代人数据可得II873。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LRAIN9MAX，代人数据可得IT607。由以上的最小最大传动比可以知道，此纯电动汽车可以只要一个主减速器传动比就可以满足要求，初取I74。14蓄电池参数匹配上海汽车201309综合考虑各种因素，本文采用国内主流的磷酸铁锂电池，单体额定电压为32V，最高电压为365V，最低电压为20V，单体标称容量10AH。1选定电池组的总电压由于本文所选取的永磁无刷直流电机的工作电压为288V，所以可以初步确定电池组的总电压为288V，则需要串联的电池数为90串。2计算锂离子电池组容量假定汽车的行驶速度为U。KMH，可得阻力功率为PETC10PP11，MWRODPP12ETE。WROAD13式中，P。为汽车等速行驶所需的功率，取U60KMH；D为满足设计指标续驶里程汽车消耗的能量；P为电机功率；叩为电机与电机控制器总成效率，此处取为088；。为电池组放电深度，取为08；S为设计续驶里程，取为150KM。P668KW；20875KWH电池组容量的表达式为1000P。S14代人数据可得，C728KW，取C80AH。根据以上计算，可以选定电池的组合方式为8并9O串，即为8P90S。磷酸铁锂电池组的基本参数如表4所示。表4磷酸铁锂离子电池组参数【指标额定电容AH单节电压V总电压V电池节数F值10322887202微型纯电动汽车动力系统选型分析通过理论计算，初步选定了此微型纯电动汽车动力系统的基本参数。至于这些参数是否满足要求，还需要进行理论上的验证，理论验证主要是通过理论计算来验证电机的峰值功率、峰值转矩、上海汽车201309最高车速。汽车的加速时间以及续驶里程是否满足设计要求。理论验证结束后，还要进行计算机仿真，如果两者差距不大，则说明选型是合理的。21电机功率分析此纯电动汽车的30MIN持续最高车速的设计值为100KMH约为90的最高车速，当汽车以100KMH匀速运行时，功率需求为。去而COAU石315代人数据可得PV1699KW150KM。252NEDC续驶里程验算根据一般纯电动汽车的能耗要求，设计本车百公里耗能不得高于18KWH，而电池的容量为20875KWH，则有汽车的NEDC续驶里程为S100116KM110KM26R根据以上验证结果可知，电动汽车的参数匹配是合理的。3微型纯电动汽车建模及仿真综合比较目前流行的电动汽车仿真软件，本文选用CRUISE进行微型纯电动汽车的建模与仿真。31整车动力系统模型的建立本文的研究对象为微型纯电动汽车，一般的微型电动汽车都是采用前置前驱的驱动方式，故搭建如图1所示的纯电动汽车整车模型。32计算任务的设定根据本文研究的微型电动汽车的特点，主要6图1CRUISEV2010仿真流程图对整车的动力性和续驶里程进行仿真。因此设定以下几项计算任务循环行驶工况和续驶里程包括NEDC工况和等速60KMH、最高车速、最大爬坡度计算、最大加速度。33仿真结果分析331最高车速仿真结果由最高车速的仿真结果可知，此微型纯电动汽车所能达到的最高车速是129KMH，达到了设计指标要求。332最大爬坡度仿真结果最大爬坡度的仿真结果如图2示。当汽车的爬坡速度为15KMH时，最大爬坡度为2767，满足设计指标要求。蕤坚、|车速KMH图2最大爬坡度仿真结果333全负荷加速性能仿真结果根据相应的计算任务，可以查得此微型纯电上海汽车201309勰加M动汽车050KMH的加速时间和5080KMH的超车加速时间分别为537S和488S，满足设计指标要求。334续驶里程仿真结果续驶里程分为两种情况一是等速60KMH续驶里程；另一个是NEDC工况续驶里程。在计算任务中将循环距离设为180KM，使电池电量放到15以下，便可以得到SOC变化曲线。等速续驶里程的仿真结果如图3。从图中可以看出，当SOC等于15时，汽车的续驶里程为1789KM，满足设计指标要求。NEDC工况续驶里程仿真结果如图4，设置L2个NEDC循环，使电池电量放到15以下。由图可知当SOC为15时，汽车的续驶里程为1198KM，满足设计指标要求。O30O6O0900L20015001800距离KIN图3等速60KMH电池SOC变化曲线90080O700600500U象40030020010O0、距离KM图4NEDC工况下SOC变化曲线上海汽车20130934传动比优化将050KMH加速时间和等速续驶里程作为目标函数，以主减速器传动比I。为设计变量，得到的目标函数形式为I。AI。一AI。27根据经验，可取A03；A07。根据电机的MAP图，使用3次插值法得到的电机的效率与传动比的函数关系为叼一00073I0280I一1957I4928I02677428可知目标函数为FI一LN而50A894643NU十口一00073I0280I一1957I4928I02677429式中，A41249368I051261。以汽车的动力性和续驶里程为约束条件，包括最高车速、最大爬坡度、加速时间以及续驶里程。已知满足最高车速和最大爬坡度的时候传动比的范围为607I。873，这两个值可以作为边界条件。约束条件可以表达为050KMH加速时间不超过10S，则有LN50A一10030等速60KMH续驶里程不低于150KM，则有15012870一00073I0280I一1957I4928I026774O31使用MATLAB优化工具箱中的非线性约束最小化优化传动比，可以得到传动比的最优解为I。718。35整车仿真结果对比结合以上的理论计算及仿真，得到的结果如表5所示。4结语本文通过理论计算，对微型纯电动汽车进行了参数匹配与选型，然后又通过理论计算对选型下转第L0页70OOO0OOO0OO0O0O如船如图3电机扭矩需求波动查找。VMS依据加速踏板、电机转速等信号计算出扭矩需求值后，为使电机扭矩输出平滑，增加了滤波功能以及电机扭矩变化上升率和下降率限制。扭矩变化下降率值设置不合理导致了扭矩需求的变化不能很好匹配加速踏板开度。而对于新问题，现象是MCTORQUESET与车速关联的波动。说明问题存在于电机扭矩控制环节，该环节包括扭矩需求和扭矩限制当SOC降低时，将限制电机扭矩输出，进一步查找原因是车辆为低速5KMH左右条件下，程序突破了扭矩限制，将较大的电机扭矩需求输出，而当车速上升后，又进入扭矩限制模块，扭矩迅速降下来，所以出现了车速和电机扭矩需求的震荡。原因查找后，更新程序，再通过HIL测试和试验确认问题不再出现。3结语本文将HIL测试引入到新能源汽车试验问题解决中来，在HIL测试中复现问题、分析问题原因、定位问题模块并最终解决问题。充分发挥HIL测试平台参数配置灵活输入参数非常容易量化、系统状态容易变化特定蓄电池SOC值的特点。同时，针对问题，扩大测试范围、补充设计相关联测试用例，还发现并解决了新的问题。所以，将HIL测试与实车试验相结合是非常有效的排查问题、解决问题的方法。参考文献1德绍弗勒汽车软件工程原理过程方法工具M北京电子工业出版社，20082汤姆登顿汽车电气与电子控制系统M北京机械工业出版社2009七七七七七七七七七上接第7页表5整车仿真结果对比设计理论仿真结果指标传动比传动比要求计算优化前优化后最高车速KMHL1O130129L33最大爬坡度15KMH时20244927672673050KMH1065537554加速时间S5080KMH1563488496等速60KMH续驶里程KM150L87517891835NEDC续驶里程KM11O116O11981221百公里耗等速60KMH12LO531019电量KWHNEDC工况18L533L529后的参数进行了验算，并且利用MATALB优化工具箱进行了传动比的优化，最后通过CRUISE建模对微型纯电动汽车进行了仿真。分析表5中的