纯电动汽车建模与仿真

黄冠 崔俊杰

【摘要】本文分析了cruise软件建模仿真过程，通过给定电动汽车满足的汽车动力性能及续驶里程，对电动汽车的动力电池、电动机进行了参数匹配，利用cruise软件建立了电动汽车模型，通过仿真分析验证电动汽车动力系统参数能满足汽车性能。

【关键词】纯电动汽车;动力系统;Cruise

1.引言

纯电动汽车是未来汽车产业发展的趋势之一。在纯电动汽车的设计过程中，最关键的是保证汽车的动力性和续驶里程数。本文通过根据给定动力性能要求对纯电动汽车动力系统进行了参数设计，利用 cruise软件建立了纯电动汽车模型，通过仿真实验对纯电动汽车动力系统参数优化设计。

2.纯电动汽车建模

2.1 汽车参数及满足的性能

纯电动汽车具体参数如表1所示。

表1 纯电动汽车参数

参数名称 数值 参数名称 数值

汽车满载质量（kg） 1500 路面滚动阻力系数f 0.02

空气阻力系数Cd 0.3 迎风面积A（m2） 2.0

车轮半径（mm） 305 传动效率 0.92

性能要求：

加速时间（从0km/h到100km/h）12s±1s

最大爬坡度（v0=15km/h）>30%

最高车速150km/h

续驶里程≥200km

2.2 牵引电动机选取

电驱动系统是纯电动汽车的心脏。电动机将电能转化成机械能推动车辆，或反之将机械能转化成电能进行再生制动和对车载储能装置充电[1]。本文通过电动汽车的动力性能要求确定合适的永磁无刷直流电动机。

电动汽车在水平路面上的以最高车速行驶所消耗的功率为：

（1）

电动汽车爬坡所消耗的功率为：

（2）

电动汽车从0km/h加速到100km/h所消耗的功率估算为[2]：

（3）

式中：为旋转质量系数，vt为汽车加速终速。代入所给数据可求得：pv=42.23kw，pα=20.21kw，pa=62.3kw。

电动机的额定功率。由求得的数据可得pm=65kw可满足汽车性能。电动机具体参数如表2所示。

2.3 动力电池的选取

目前，锂离子电池是车用电池产业化的热点，性能好、环保，在电动汽车行业中应用最为广泛[1]。本文在选用电池的过程中采用等速法进行续驶里程计算，选用合适容量的动力电池[3]。

假设汽车以等速V=60km/h行驶，此时消耗的功率为：

（6）

（7）

=               （8）

电池的实际总能量为：

（9）

其中：S为续驶里程，为电池组有效电容量系数，该系数取0.8。Ub为电池组的平均工作电压;C为电池组的总容量。

把式（7）、式（8）代入到式（9）中可得：

（10）

代入数据，可得到满足续驶里程200km的最小电池容量C=135.98Ah，最终选取动力电池的容量C=150Ah，采用国内主流的磷酸铁锂动力电池，容量为150Ah，标称电压（3.2×100）v。

3.Cruise软件建模仿真分析

3.1 建立纯电动汽车整车模型

打开软件，进入设计模块，建立汽车各模块，完成机械连接和电气连接。如图1所示。

图1 纯电动汽车整车模型

3.2 仿真分析

（1）加速性能分析。在cruise软件任务中建立Full Load Acceleration任务，测试汽车从0km/h到100km/h加速时间，如图2所示。电动汽车在12.8s加速到100km/h，满足汽车加速性能要求。

图2 汽车加速过程

（2）爬坡性能分析。在cruise软件任务中建立Climbing Performance任务，测试汽车的爬坡能力，结果如图3所示。最大爬坡度可达63%，满足汽车爬坡要求。

（3）汽车最高车速分析。在cruise软件任务中建立Constant Drive任务，测试汽车达到的最高车速。各档位最高车速如表3所示。

表3 各档最高车速

档位 最高车速（km/h） 转速（r/min）

1 94 7450

2 153 8000

续驶里程分析。在cruise软件任务中建立Cycle Run任务，在UDC实验工况下进行测试，可得到动力电池SOC的变化曲线，如图4所示，当SOC=15%的点的横坐标作为电动汽车的续驶里程，则S=260000m>200000m。

图3 汽车爬坡度

图4 UDC工况下电池SOC变化曲线

4.结论

本文通过给定电动汽车的性能要求，对汽车动力系统参数进行了设计。运用cruise软件对纯电动车进行建模和动力性能的仿真，得到了0km/h到100km/h加速时间、最高速度、最大爬坡度及续驶里程等性能指标，仿真结果验证了汽车动力系统参数设计的合理性。通过本文的仿真和分析，为纯电动汽车的参数选择以及结构优化提供了依据。

参考文献

[1]赵航，史广奎.混合动力电动汽车技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]倪光正，倪培宏，熊素. Ehsani，M.现代电动汽车、混合动力汽车和燃料汽车——基本原理、理论和设计[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]朱鹏飞，赵文杰，许宏云.基于CRUISE 纯电动汽车匹配计算与仿真[J].上海汽车，2012（9）：12-15.