某纯电动汽车动力系统的建模与仿真分析研究

秦东晨，谢银倩，潘守辰，陈江义，刘竹丽

(郑州大学 机械工程学院，河南 郑州450001)

0 引言

传统的燃油汽车加剧了大气污染和能源危机，电动汽车作为新能源汽车的代表，具有能源多样性、节能环保等优势，被公认为21世纪汽车工业改造和发展的主要方向.电动汽车动力传动系统是制约纯电动汽车发展的关键因素，也是目前电动汽车领域研究的热点之一.笔者选用锂离子电池组，在动力系统参数匹配设计的基础上，仿真分析了整车的动力性能和续驶里程，并对相关的影响因素做了进一步的仿真分析.

1 动力传动系统参数设计

电动汽车动力系统的参数匹配主要是通过计算，选择合适的电动机参数、传动比和动力电池组容量，以满足电动汽车对整车动力性能和续驶里程的要求.

1.1 动力设计要求

某纯电动汽车的动力设计要求如表1所示.

1.2 驱动电机参数选择

电动机的功率直接影响整车的动力性能.电动机的功率越大，车辆的后背功率也越大，加速性和爬坡性越好，同时电动机的体积和质量也会增加，从而影响电动汽车的续驶里程［1］.笔者选用交流感应电动机，同时根据最高车速vmax确定电机的最大功率Pmax1［2］;根据整车以 vi行驶的最大爬坡度确定Pmax2;根据加速性能确定Pmax3.动力源总功率Pmax必须要满足上述三项指标的设计要求，即

驱动电机的额定功率可由峰值功率求得:

式中:λ为电机过载系数.

表1 整车动力性能指标Tab.1 Vehicle dynamic performance indexes

1.3 传动系参数选择

采用固定速比变速传动，可以有效减少机械传动装置的重量和体积，并使整车结构变得较为简单、可靠.这样，设计时就要求电动机既能在恒转矩区提供较高的瞬时转矩(额定值的3～5倍)，又能在恒功率区提供较高的运行速度(基速的 3 ～5 倍)［3］.

(1)最大传动比的选择［4］

传动系最大传动比imax是变速器最低档速比ig1与主减速比i0的乘积，由电动机的峰值转矩Tmax和车辆最大爬坡度角αmax决定.

式中:r为车轮滚动半径;f为滚动阻力系数;ηt为传动系总效率.

(2)最小传动比的选择

传动系最小传动比imin是变速器最高档速比igmax与主减速器速比i0的乘积，由电动机的最高转速nmax和电动汽车的最高车速vmax决定，

1.4 动力电池组参数选择

锂电池［5］具有较高的能量密度，工作电压高(单体工作电压为3.7 V或3.2 V)，自放电率低，充电效率高，循环寿命长，无记忆效应，并且绿色环保，是目前市场前景最好的电池之一.因此，选用了磷酸铁锂电池组(单个电池规格为3.2 V/80 Ah)，并根据续驶里程确定蓄电池数目.电动汽车一次充电以va匀速行驶路程S所需的功率P1可由下式计算:

P1再加上原车的用电设备功率消耗，即为行驶里程S所需的总功率P.所需的电池个数n为:

式中:η为电池放电深度;u为单体电池电压;Cr为单体电池容量.

1.5 匹配结果

通过理论计算和工程分析最终获得动力系统的主要设计参数如表2所示.

表2 纯电动汽车参数表Tab.2 Pure electric vehicle parameters

2 纯电动汽车仿真模型的建立

ADVISTOR是美国国家能源可再生能源实验室于1994年研制的用于各种车辆的计算机仿真程序［6］.纯电动汽车的整车仿真模型如图1所示.基于ADVISOR软件建立电动汽车整车模型，就是对车辆模型系统中的车辆、电动机、动车速v/(km·h-1)锂电池、车轮、主减速器和变速器等模块进行修改和定义［7-9］.由于篇幅限制，这里只给出车辆模块和动力电池模块中需要修改和定义的参数.

图1 电动汽车整车仿真模型Fig.1 Simulation model of the electric vehicle

2.1 车辆模块

车辆模块中需要定义的参数有:veh_CD=0.3;%定义空气阻力系数;

veh_FA=2.4;%定义迎风面积，m2;

veh_cg_height=0.55;%定义质心高，m;

veh_front_wt_frac=0.55;%定义整车静止前轴承载系数;

SOC值veh_cargo_mass=300;%定义最大装载质量，kg.

2.2 动力电池模块

蓄电池模块中需要定义的参数有:

ess_max_ah_cap=［68 70 74］;%定义电池容量随SOC值温度的变化;

电动机功率/kWess_min_volts=2.5;%定义电池的最小电压，V;

ess_max_volts=3.6;%定义电池的最大电压，V;ess_module_num=110;%定义电池数量;

ess_module_mass=2.25;%，kg，定义电池的质量，kg.

3 仿真分析结果

3.1 动力性能

典型循环工况ECE—EUDC下，该车的动力性能仿真结果如表3所示.从表中可以看出，该车的动力性能完全满足设计要求，而且加速性能良好.

表3 ECE—EUDC工况下动力性能仿真结果Tab.3 The simulation results of the dynamic performance by the ECE-EUDC conditions

图2为该仿真过程中，车速、荷电状态、电动机功率随时间变化的关系曲线.其中，车速曲线最后稍有不吻合，这是由于该工况下的最高车速为120 km/h，略高于该车的最大车速.

3.2 续驶里程和燃油经济性

150 kg负载、40 km/h匀速工况下，最大续驶里程为165.7 km，满足设计要求.图3为该仿真过程中电动汽车的能源消耗图，从中可以看到动力电池、电动机和变速器等部件的能源转换过程和利用效率，由于仿真工况是匀速工况，所以再生回馈模式没有能量转换过程，纯电动汽车动力传动系统的总体效率为0.378.

该车的燃油经济性如表4所示.由于ECE—EUDC工况下需要频繁启动、加速和减速，所以车辆油耗要大于匀速循环工况下的车辆油耗.总体来看，该车的燃油经济性较为合理.

表4 车辆燃油经济性Tab.4 Fuel economy of the vehicle

4 整车灵敏度分析及参数研究

4.1 整车灵敏度分析

为进一步了解整车性能，笔者通过直接修改ADVISOR仿真界面中的参数值，对不同负载、不同工况和不同车速进行了仿真分析，结果表明:该车的动力性能良好;30～80 km/h匀速运行驶时整车效率较高，续驶里程较远.表5所示为不同负载下的动力性能仿真结果.

表5 整车质量对动力性能的影响Tab.5 The impact of the vehicle loads on dynamic performances

4.2 参数研究

影响整车性能的因素主要有整车质量、滚动阻力系数、空气阻力系数、车轮半径、电动机和动力电池的固有特性等.其中整车质量、空气阻力系数及滚动阻力系数这3个参数对加速性能相互影响的参数仿真分析结果如图4所示.

图4 3个参数对加速性能相互影响的仿真分析图Fig.4 Simulation analysis chart of three parameters on the acceleration performance influence each other

在ADVISOR仿真界面中改变上述参数值，仿真分析这些参数对整车性能的影响，得出结论.

(1)滚动阻力系数和空气阻力系数对续驶里程的影响较大(尤其是滚动阻力系数).

(2)车轮半径对动力性能影响较大，对续驶里程也有一定影响.

(3)电池的容量越大，续驶里程越远;最低电压越低，加速和爬坡性越好，最高电压越高，续驶里程越远.

(4)电动机功率增大，动力性能会提高，但同时续驶里程会减小，电动机功率对动力性能和续驶里程的影响较小，其类型对二者的影响则较大.

4.3 提高整车性能的措施

为增加电动汽车的续驶里程，可以在城市工况中以中高速行驶，同时降低轮胎滚阻系数和风阻系数，提高动力电池容量;为提高动力性能和爬坡度，应设计适当的车轮半径，选用合适类型的电动机和电压特性较好的动力电池.

5 结论

通过运用ADVISOR软件对该车的动力性能、续驶里程和燃油经济性进行仿真分析，结果表明该车的动力系统参数匹配较为合理.同时，通过参数研究得出:除了电池和电动机这2个关键部位外，滚阻系数、风阻系数和车轮半径等参数对电动汽车的整车性能也有一定影响.这为纯电动汽车的设计提供了一定的理论参考.

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