基于Cruise的纯电动汽车匹配仿真分析

左泽华 左娟

（1.河北工业大学；2.解放军信息工程大学）

随着环境污染和能源匮乏的加剧，纯电动汽车作为一种交通工具，已经渐渐进入人们的日常生活中。纯电动汽车具有噪声低、排放污染低及能源转换率高等优点，加上政府的各种鼓励政策，纯电动汽车受到各大汽车厂商的重视。以往电动汽车的动力性和经济性的评价都是由实车在测试道路或台架试验得到，但是电机和动力系统匹配方案和各主要零部件的参数变化多样，若每个方案都进行实车测试，不仅增加成本，而且延长研发周期。因此，在汽车理论和结构计算的基础上，利用AVL-Cruise仿真软件对电动汽车的主要零部件进行建模，对相应的路况进行模拟仿真，从而验证及分析出最佳方案。

1 纯电动汽车的整车模型及性能目标

1.1 纯电动汽车动力系统的基本模型

由于是在传统车的基础上进行研发，所以主要对纯电动汽车的动力性进行匹配仿真和验证，而纯电动汽车的动力性主要是由动力总成系统来决定。其动力系统主要由电动机、电池、变速器、主减速器、差速器及车轮等[1]组成，如图1所示。

图1 纯电动汽车整车动力系统模型图

1.2 性能指标

纯电动汽车的性能主要研究动力性和经济性，动力性主要包括最高车速、最大爬坡度及加速时间等；经济性主要研究纯电动汽车的续航里程。文章中将驱动电机的性能参数、传动系的性能参数及动力电池的参数等作为此款纯电动汽车动力传动系统参数的匹配。为了设计出符合性能要求的电动汽车，必须通过整车性能要求对汽车的动力系统进行匹配计算。表1示出纯电动汽车基本参数，表2示出纯电动汽车设计性能目标。

表1 纯电动汽车基本参数

表2 纯电动汽车设计性能目标

2 动力系统正向匹配计算

2.1 电机功率（PM）及电机转速（NM）

根据瞬时最高车速和30 min最高车速（试验质量1 030 kg）[2]计算 PM和 NM，如式（1）和式（2）所示。

式中：ηT——传动效率，%；

f——滚动阻力系数；

CD——风阻系数；

A——迎风面积，m2；

vmax——瞬间最高车速和30 min最高车速，km/h；

G——电动汽车试验重力，N；

PM——电机功率，kW；

i0——主减速比；

NM——电机转速，r/min；

r——轮胎滚动半径，m。

将纯电动汽车基本参数代入式（1）和式（2），得：PM=18 kW，NM=7 110 r/min。

同理，由式（1）和式（2）得出 30 min最高车速对应的PM和NM分别为14 kW和6 464 r/min。

2.2 最大爬坡度

根据满载爬坡度要求（20%，车速为10 km/h，满载质量为 1 050 kg）计算 PM及电机扭矩（TM/N·m），如式（3）和式（4）所示。

式中：i——爬坡度，%；

v——车速，km/h；

i0——爬坡主减速比。

将纯电动汽车基本参数代入式（3）和式（4），得PM=61 kW，TM=91 N·m。

同理，爬坡度为4%（车速为60 km/h，满载质量为1 050 kg）时，计算PM和TM分别为11 kW和28 N·m；爬坡度为12%（车速为30 km/h，满载质量为1 050 kg）时，计算PM及TM分别为12 kW和58 N·m。

2.3 NEDC工况

由于该车为纯电动汽车，续航里程和动力方面有限，故采用新欧洲行驶工况NEDC（NewEuropean Driving Cycle）。该工况定位为城市工况，基本符合纯电动汽车的行驶工况，如图2所示。根据NEDC工况及整车参数，通过软件进行计算，得出图3所示的整个工况下对应的电机需求功率，可见要求的电机功率需大于33kW。

图2 纯电动汽车NEDC工况图

图3 纯电动汽车NEDC工况需求电机功率

3 电机和电池选型

3.1 电机选型[3]

3.1.1 确定转速范围

选择目前被广泛应用于电动汽车驱动的永磁同步电机作为动力源，电机的最高转速应能满足最高车速的要求，由式（1）和式（2）可知，对于vmax（30 min）=100 km/h（其中瞬时vmax=110 km/h），相应电机峰值转速需大于7 110 r/min，初选峰值转速为8 000 r/min。一般永磁同步电机扩大恒功率系数（即最大转速与基速之比）在2～3之间，根据厂商提供数据，取2.8计算，因此电机基速为2 857 r/min。

3.1.2 确定峰值扭矩

电机的峰值扭矩应至少能满足爬坡需求，因此需大于91 N·m。

3.1.3 峰值功率和额定功率的确认

电机的峰值功率需至少满足NEDC工况的需求和爬坡需求，根据以上的计算结果，NEDC工况对峰值功率需要大于33 kW。

电机的额定功率需满足30 min最高车速要求，对应的额定功率应大于14 kW，而根据经验，电机的过载系数约为1.3～2（峰值功率与额定功率之比，取1.4估计），则峰值功率应大于19.6 kW。

电机在基速转速时可达到峰值功率，按照峰值扭矩为91 N·m，基速转速为2 857 r/min，计算电机峰值（P/kW）:

式中：T——峰值扭矩，N·m；

n——基速转速，r/min。

依据约束条件的计算结果，按照取大原则，根据经验初步选取的电机参数，如表3所示。

表3 初选电动汽车电机参数

3.2 电池的选型

根据厂商提供数据，初选电池参数，如表4所示。

表4 初选电动汽车电池参数

4 动力系统匹配方案验证分析

这里所用到的是目前应用于各大汽车公司的AVL-Cruise仿真软件，它是计算和优化电动汽车动力性和经济性的综合工具，适用于设计仿真任何传动系结构的电动汽车，能够直观的模块化组件，真实的再现实车性能，由于其电动汽车模型的搭建过程简捷易懂，能在短时间内改变电动汽车的结构布置形式，实现电动汽车性能的最优化，从而减少了电动汽车的开发周期[4]。

4.1 AVL-Cruise模型的建立

根据整车结构模型，在软件中建立模型，用户可以从已有的模型中选择需要的模型，将电动汽车、电池、变速箱、差速器及驾驶舱等模块拖入软件的工作区中，再根据零部件之间的关系，对模块进行机械或电气连接，如图4所示，然后根据各个模块的参数进行设置，最后运行仿真任务。

4.2 AVL-Cruise运行流程

1）根据整车的构成，添加所需的模块，如电机、变速器、减速器、制动器及车轮等零部件模块；2）根据各个零部件相应的参数对模块的参数进行设置；3）利用整车各零部件的动力及信号的传递关系对部件进行物理和电气连接；4）根据研究需要，设置相应的计算任务，如最高车速、最大爬坡度、加速时间及续航里程等[5]。

4.3 AVL-Cruise的仿真分析验证

4.3.1 最高车速验证

最高车速验证主要观察随着车速的不断提高，电动汽车是否还有剩余牵引力，从而能始终带动电动汽车前行。如图5所示，车速在0～112 km/h，始终都有剩余牵引力，说明整车最高车速为112 km/h。4.3.2 爬坡性能验证

图5 电动汽车最高车速仿真验证图

爬坡性能验证主要是分析电动汽车在不同爬坡度下对应的最高车速，即相应的车速能通过的最大爬坡度是多少，如图6所示，车速10 km/h对应的最大爬坡度为20.8%；4%爬坡度对应的车速112 km/h；12%爬坡度对应的车速为78 km/h。

图6 电动汽车不同坡度下对应最高车速

4.3.3 加速时间验证

加速时间验证（即所说的加速度验证）仿真曲线，如图7所示。从图7可以看出，0～50 km/h加速时间为7.1 s；50～80 km/h 加速时间为 6.2 s；0～100 km/h 加速时间为20.4 s。

图7 电动汽车加速时间仿真曲线

4.3.4 经济性验证

根据电动汽车的定位，本次仿真采用的是NEDC工况，本工况相对接近纯电动汽车的实际工况，对应的仿真结果也比较准确，如图8所示，当电动汽车剩余电量为5%时，对应的续航里程为134.6 km。

图8 NEDC工况电动汽车续航里程仿真曲线

5 结论

仿真分析结果表明，该车爬坡性能为20.8%，符合大于20%的爬坡度设计要求；4%坡度的爬坡车速和12%坡度的爬坡车速分别为112km/h和78km/h，大于要求的目标值60km/h和30km/h；最高车速112km/h，大于110km/h，满足最高车速设计要求；0～50km/h和50～80km/h的加速时间分别为7.1 s和6.2s，满足加速时间要求；续航里程为134.6km，大于100km，满足行驶要求。初步判定，所进行的动力匹配与初步选型满足动力性和经济性要求，同时利用AVL-Cruise软件建模仿真可以缩短研发周期，节约研发成本，减少电动汽车在设计上的盲目性，为今后的电动汽车开发提供了重要的参考数据。