纯电动汽车动力系统参数匹配与优化研究

查云飞， 宋金龙， 张庆永， 刘国晴， 郭荣辉

(福建工程学院 汽车电子与电驱动技术重点实验室， 福建 福州 350118)

纯电动汽车与传动内燃机相比，具有节能环保的优点，发展纯电动汽车是解决当前面临的能源短缺和环境污染问题的重要途径之一。电机、电池和电控是纯电动汽车的3大核心，当前制约纯电动汽车发展的主要问题是电池电荷量不足、循环寿命不足以及安全问题等[1]。在电池技术取得突破之前，尽可能合理地选择动力系统部件，通过参数匹配与优化的方式，可以使纯电动汽车在同等条件下获得更好的动力性和经济性[2]。

本文以某款纯电动汽车为例，根据整车的性能要求，对动力系统参数进行匹配计算，并通过CRUISE仿真软件搭建整车模型，使用ISIGHT与CRUISE联合计算，对动力系统的参数进行优化。

1 动力系统参数匹配计算

选取参考车型的整车满载质量为1 600 kg，迎风面积1.97 m2，车轮半径0.301 m，风阻系数0.28，滚动阻力系数0.01，主减速比6.06。

电动汽车的动力性指标为：最高车速大于120 km/h、最大爬坡度大于30%、0～100km/h的加速时间小于15 s；经济性指标为：在NEDC循环工况下，动力电池初始电荷量90%、放电深度70%时的续驶里程大于80 km。

1.1 驱动电机参数匹配

驱动电机是纯电动汽车的唯一动力源，对驱动电机的匹配直接决定了整车的动力性和经济性。因此对驱动电机进行匹配时，需要考虑驱动电机的类型、功率、转速和转矩等[3]。

(1)驱动电机额定功率

汽车在平坦路面上，以最高车速行驶，可获得驱动电机的额定功率。此时电机只需克服滚动阻力和空气阻力，即需满足：

(1)

式中，vmax为最高车速，取120 km/h；ηt为传动效率，取0.87；m为整车满载质量；CD为空气阻力系数；g为重力加速度；f为滚动阻力系数；A为迎风面积。

将相关参数代入式(1)，可得额定功率为20 kW。

(2)驱动电机的峰值功率

电动汽车以40 km/h匀速爬坡30%，此时驱动电机只需克服滚动阻力、爬坡阻力和风阻。电机功率应满足：

(2)

式中，α为爬坡度；v为车速。计算得此时需求的电机功率为60 kW。

电动汽车在平坦路面上由0～100 km/h，其加速时间的设计指标小于15 s，电机功率应满足：

(3)

式中，δ为转动惯量系数，取1.04；t为加速时间15 s；x为拟合系数，取0.5。计算得此时需求的电机功率为57 kW。

除克服行驶阻力外，还要克服其他的功率需求和功率损失，驱动电机的峰值功率，综合可得60.53 kW。

(2)驱动电机的转速

电机转速与电动汽车车速的关系应满足：

(4)

式中，r为车轮半径；i0为主减速比；n为电机转速。驱动电机的最高转速应满足：

(5)

计算得驱动电机最高转速应大于6 406 r/min。

综上所述，选取额定功率20 kW、峰值功率70 kW、额定转速3 500 r/min、峰值转速9 000 r/min、额定扭矩85 N·m、峰值扭矩240 N·m的交流伺服电机作为驱动电机。采用高性能稀土永磁材料，长期运行能保持优良的工作性能。

1.2 动力电池匹配

选取锂离子电池，电池组电压320～420 V，容量10 A·h。对电池容量进行匹配时，主要考虑续驶里程。在NEDC工况下，设计的续驶里程应达到80 km，本文采用计算和仿真的方式，确定电池组的并联个数。

电动汽车以60 km/h的速度匀速行驶80 km，此时需要的能量：

Wn=P·t

(6)

(7)

(8)

式(6)中，P为电动汽车以60 km/h的速度行驶的需求功率；式(7)中，ηm为电机效率，取值0.9；ηb为电池组的放电效率，取值0.9；式(8)中，t为行驶时间；S为行驶里程。

若电池组发出的能量为W，则需W>Wn。电池组能量计算公式为：

(9)

式中，U为电池组的电压，取320 V；C为电池组的总容量；ξ为电池组的放电深度，取值0.7。

将相关参数代入式(6)～(9)，可计算出总的电池组容量为35 A·h。在CRUISE仿真模型中设置并联电池组数为3时，续驶里程为86.2 km；并联电池组数为4时，续驶里程为117.3 km。当并联电池组数为3时，已经满足续驶里程要求，所以电池组的并联个数确定为3，容量为30 A·h。

2 整车模型的搭建

2.1 CRUISE仿真模型建立

CRUISE是一款对车辆动力性和经济性正向仿真分析的软件，它将车辆的各个部件集成模块化，方便模型的搭建。图1为基于CRUISE建立的整车模型，车型的主要模块包括：整车模型、轮胎模型、电机模型、电池模型、驾驶室模型和控制模型等。将各个模块通过拖拉的方式放在工作窗口，按照机械和电气规则建立相应的机械连接和信号连接[4]。

图1 整车模型Fig.1 Vehicle model

2.2 仿真结果分析

基于搭建的整车CRUISE模型，选取NEDC循环工况的路谱图仿真车辆的行驶工况，如图2所示。设置电池的放电深度为70%，初始电荷量为90%。NEDC循环工况下的续驶里程86.179 km，满足经济性设计要求。

图2 NEDC的路谱图Fig.2 Road spectrum of NEDC

根据仿真得到此款电动汽车的爬坡度结果如图3，加速曲线如图4。由图3可知，整车的最大爬坡度为36.15%，由图4可知，0～100 km/h的加速时间为8.33 s，在图3中还可看出，此款电动车的最高车速达到了188 km/h。

图3 爬坡度仿真结果Fig.3 Simulation results of climbing

图4 加速曲线Fig.4 Acceleration curve

根据仿真结果可知，在匹配的动力系统参数下，整车的动力性和经济性均满足设计要求，且在动力性方面具有优异的表现。

3 动力系统的优化

主减速比作为动力系统的重要组成部件，其大小对整车的动力性和经济性有较大的影响。主减速比越大，经济性较差，加速和爬坡能力较强；主减速比越小，经济性较好，最高车速更高，但爬坡和加速性能变差[5-6]。动力电池组数直接影响整车的行驶里程，动力电池组数越大，续驶里程越远，但对整车重量和空间会有一定的影响。为使整车得到最优性能，本文对其动力系统的关键参数进行优化。

3.1 ISIGHT模型的建立

ISIGHT作为一款软件机器人，其内部集成了多种优化算法，通过与其联合仿真可节省人力和时间。CRUISE和ISIGHT的联合仿真主要通过Simcode模块调用CRUISE进行后台运算，并通过Simcode解析模型参数。如图5为建立的ISIGHT模型，模型中建立优化任务夹Optimization1，对参数进行优化。通过Simcode模块与Cruise进行信息交换。

图5 Isight模型Fig.5 Isight model

3.2 优化设置

选取NSGA-II作为优化算法，初始种群12，迭代次数为240。

选取的经济性优化目标为在NEDC循环工况下的续驶里程，NEDC路谱图如图2，可看做加减速和匀速两个过程，因此优化目标就是在NEDC工况下，加减速和匀速时的能量消耗最低，目标函数描述如下式：

minf(x)=∑W1+∑W2

(10)

式中，f(x)为优化目标；W1为匀速时的能量消耗；W2为加减速时的能量消耗。

(11)

式中，Pj为电机在匀速时的输出功率；Pa为电机在加减速时的输出功率。

(12)

(13)

式中，a为加速度，v1和v2分别为加减速度前后的速度。

E=n·E0

(14)

式中，E为动力电池的总能量；E0为单个电池的能量；n为并联电池组数。

电池组总能量的70%即为整个续驶里程的能量消耗。

优化变量为动力电池并联电池组数和主减速器的主减速比，动力电池的取值范围为[2, 5]，主减速比的取值范围为[5.3，7.6]。

本文选取的约束条件为最高车速大于120 km/h、最大爬坡度大于30%、0～100 km/h的加速时间小于15 s。

3.3 优化结果分析

图6为优化变量、约束和优化目标的寻优历程。

a. 并联电池组数

b. 主减速比图6 寻优历程Fig.6 Optimization process

并联电池组的优化结果为3，主减速比的优化结果为5.308。优化前后目标函数和约束的对比如表1所示。

表1 优化前后对比Tab.1 Comparison of optimization results

由表1可知，经济性指标即续驶里程增加了3.2%，最大爬坡度降低了13.4%，0～100 km/h的加速时间增加了26.29%，最高车速增加了8.5%。这主要是因为主减速比降低造成的，主减速比越小，最高车速越高，燃料经济性较好，但加速性和爬坡能力较差。虽然最大爬坡度和加速性能有所降低，但均在设计指标要求的范围内。可见优化后的整车性能在满足设计要求前提下得到提升。

4 结论

根据某款纯电动汽车的整车参数和经济性与动力学指标要求对关键的电机、电池进行了参数匹配，并通过搭建整车CRUISE模型在NEDC工况下进行了动力性和经济性仿真，验证了参数匹配的合理性。采用ISIGHT和CRUISE联合仿真，对此款纯电动汽车的主减速比和并联电池组数进行了优化，在保证整车加速时间和爬坡性能的情况下，车辆的续驶里程和最高车速均得到了有效提升，续驶里程的提升对纯电动车来讲具有较大的意义。

[1] 董相军.基于Cruise的混合动力电动客车仿真研究[D].西安：长安大学,2014.

[2] 郭孔辉,姜辉,张建伟.电动汽车传动系统的匹配及优化[J].科学技术与工程,2010, 10(16):3892-3896.

[3] 崔胜民.汽车理论[M].北京：北京大学出版社,2016.

[4] 姜海斌,黄宏成. CRUISE纯电动车动力性能仿真及优化[J].机械与电子,2010(4):61-65.

[5] 李彬,高发华,罗明军,等.纯电动汽车动力系统参数匹配及试验研究[J].农业装备与车辆工程,2017,55(7):68-71.

[6] 刘贵如,王陆林,张世兵,等.电动汽车电子机械制动系统的研究与设计[J].安徽工程大学学报,2013,28(1):23-26.