纯电动汽车动力系统参数匹配及仿真分析

白素强 杨瑞兆 邓家奇

摘 要：论文依据整车性能指标，通过理论分析和计算，对某8×4载货车动力系统参数进行匹配，基于AVL-Cruise建立整车模型并进行仿真分析，验证动力系统参数匹配的合理性，为纯电动车动力系统参数匹配及仿真提供分析方法。

关键词：纯电动汽车;参数匹配;动力系统;仿真分析

中图分类号：U469.72  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）19-01-04

Parameter matching and simulation analysis of pure electric vehicle

powertrain system

Bai Suqiang， Yang Ruizhao， Deng Jiaqi

（ Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.， Ltd. Automotive Engineering Research Institute， Shaanxi Xi'an 710200 ）

Abstract： According to the vehicle performance index and theoretical analysis calculation， the powertrain parameters of a 8×4 truck were matched. Based on AVL-Cruse， the vehicle model was established and simulated. the rationality of powertrain parameters matching was verified， and the analysis method was provided for the powertrain parameters matching and simulation of pure electric vehicle.

Keywords： Pure electric vehicle; Parameter matching; Powertrain; Simulation analysis

CLC NO.： U469.72  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）19-01-04

1 引言

随着汽车工业技术的不断进步和发展，汽车逐渐进入人们的生活，成为普通的消费品，极大方便了人们的生活，但随着汽车保有量的逐渐增加，其带来的环境污染和能源危机也越来越严重，基于此，发展新能源汽车成为汽车企业的重点突破方向[1]，因此纯电动汽车应运而生，因其零排放、零污染等特点，成为新能源汽车发展中极其重要的发展方向。

在电动车开发初期应用理论分析及仿真技术等手段，进行动力系统参数匹配及性能仿真分析，可提高正向开发能力，缩短开发周期，节约成本，提高开发效率[2]。本文根据整车性能参数指标，建立动力系统参数匹配的相关理论计算方法，并对驱动电机，动力电池等系统参数进行匹配，基于AVL-Cruise建立整车模型，并对其最高车速、最大爬坡度、加速时间及续驶历程等进行了仿真分析，结果表明，动力系统参数满足整车性能设计指标，为电动车动力系统参数匹配及仿真分析提供分析方法和技术参考。

2 动力系统参数匹配

纯电动汽车动力系统参数匹配主要目的是根据整车性能指标参数，对动力电池、驱动电机等基本参数进行匹配计算及选型。

2.1 整车性能指标

整车性能指标主要包括动力性和经济性指标，其中动力性指标包括最高车速，最大爬坡度和加速时间等，经济性指标包括燃油经济性，对电动车而言，主要指续航里程，具体性能指标分类如表1所示。

表1  整車性能指标分类

2.2 驱动电机参数匹配

驱动电机为纯电动汽车提供动力，是其唯一动力来源，其性能参数直接关系到整车的动力性。纯电动汽车的驱动电机一般要有低速高扭矩输出特性，要有较高的过载能力，较高的动态响应能力，驱动电机基本参数主要包括：峰值功率、峰值转矩、峰值转速、额定功率、额定转矩、额定转速等[1]。

2.2.1 峰值功率

根据汽车理论相关知识，汽车动力性主要由三方面的指标来评定，分别为汽车的最高车速、加速时间、最大爬坡度，驱动电机的峰值功率应同时这三个动力性指标，因此取三者中的最大值，即为：

Pmax≧max（Pv，Pt，Pa）                           （1）

式中，Pv为根据最高车速计算的功率，Pt为根据原地起步加速到规定车速计算的功率，Pa为根据最大爬坡度计算的功率，根据汽车理论相关知识，各功率计算公式如下[3]：

其中，m为整车质量（kg），g为重力加速度，即9.8m/s2，cd为空气阻力系数，A为迎风面积（m2），u1为最高车速（km/h），f为滚动阻力系数，η为传动系机械效率，δ为汽车旋转质量换算系数，u2为原地起步加速末速度，α为最大爬坡度，u3为以最大爬坡度行驶时要求的车速（km/h）。

2.2.2 额定功率

电机额定功率主要由汽车在平直路面上以最高车速行驶时要求的最低功率来确定，因此驱动电机额定功率为：

Pe≧Pv                                       （5）

2.2.3 峰值转矩

电机峰值转矩根据汽车最大爬坡度进行匹配计算，电机峰值转矩Tmax计算公式为：

式中，r为轮胎滚动半径（m），u以最大爬坡度行驶时要求的车速（km/h），i0为主减速器传动比，i1为1档传动比，其余参数参照公式2.2～2.4。

2.2.4 最高转速

驱动电机最高转速应满足最高车速要求，因此最高转速nmax为：

式中参数参照公式2.6。

目前，纯电动汽车采用的驱动电机主要有直流电机、交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机四种类型，根据文献中[4]对各电机的优缺点的比较，结合车型的实际需求，文中选择永磁同步电机作为驱动电机。

2.3 动力电池参数匹配

纯电动汽车行驶时所用的电能一般是通过转换动力电池存储的化学能来获得，其作为能量来源，直接决定了电动汽车的续驶里程，是目前制约纯电动汽车发展的主要原因，是亟待解决的瓶颈问题。对动力电池的期望特征是：高比功率、高比能量、能接受较大电流的能力、使用时间长、持久的循环寿命等。作为动力电池使用的汽车企业，主要关注的是动力电池能否满足整车续驶里程、选型的电池是否与整车匹配，对电池本身的设计问题主要由电池企业进行研究。文中对动力电池的匹配主要包括动力电池容量匹配、电池类型选择、电池串并联方式等。

2.3.1 电池类型选择

目前纯电动汽车上广泛应用的动力电池主要有：铅酸电池、镍氢电池和锂电池等，其中锂电池最具发展优势，技术也较为成熟，目前锂电池也已经发展出了不同的类型，主要包括磷酸铁锂电池和三元锂电池，根据相关文献，锂电池具有循环寿命长、比能量和比功率高、安全性高、价格低等优点[4]，因此本文动力电池选择磷酸铁锂电池。

2.3.2 电池容量匹配

电池容量直接决定着车辆的续驶里程，是满足整车经济性指标的重要匹配参数[5]，需要根据车辆不同工况下的续驶里程进行匹配计算，因此电池容量应同时满足40km/h等速续驶里程和C-WTVC续驶里程要求，即：

C≧max（C1，C2）                              （8）

式中，C1为满足40km/h等速续驶里程要求的电池容量，C2为满足C-WTVC续驶里程要求的电池容量。

（1）40km/h等速续驶里程电池容量

40km/h等速续驶里程电池能量W1为：

式中w1为电池能量（kwh），P为等速行驶所需功率（kw），具体参考公式2.2，S为等速续驶里程指标值，u为等速行驶车速（km/h），ηsod为电池放电深度。

根据电池能量w1，可得电池容量C1为：

式中，C1为电池容量（Ah），W1为电池能量（kwh），U为电池组额定无负载端电压（V）。

（2）C-WTVC续驶里程电池容量

C-WTVC续驶里程电池容量计算过程如下：

首先，根据公式（11）计算C-WTVC工况瞬时功率：

式中Pm为C-WTVC工况瞬时功率（kw），u为C-WTVC工况瞬时车速（km/h），a为C-WTVC工况瞬时加速度（m/s2），其余参数参考公式（2）～（4）。

其次将C-WTVC工况瞬时功率沿时间方向积分，获得单个C-WTVC工况所需电池能量E。

最后，计算C-WTVC续驶里程电池能量W2为：

式中S为C-WTVC续驶里程（km），E为单个C-WTVC工况所需电池能量（kwh），s2为单个C-WTVC工况行驶里程（km），ηsod为电池放电深度。

根据电池能力W2，根据式（10）即可计算C-WTVC续驶里程电池容量C2。

3 整车仿真模型建立

随着计算机技术的发展，CAE在车辆的设计开发中应用的越來越广泛，其可以缩短车辆开发周期、节约成本，提升正向开发能力。文中，当通过理论计算完成动力系统参数匹配后，需要通过仿真分析验证参数匹配的合理性，为后续设计工作的开展提供技术支持。本文采用AVL-Cruise软件进行车辆建模及仿真分析。

AVL-Cruise软件由奥地利AVL公司开发，主要用于车辆的动力性、经济性、排放性能以及制动性能等的仿真分析，该软件采用模块化设计，建模快速、便捷、准确、高效，可用于车辆开发过程中动力系统的匹配、车辆性能预测等，广泛应用与纯电动汽车的性能仿真分析中。

基于AVL-Cruise建立的某商用8×4载货车模型如图3所示，模型建立主要分两步：模块导入及参数设置和各模块连接关系建立。选择的模块包括车辆（vehicles）、电机（electric Machine）、电池（Battery H）、变速器（Gear box）、主减速器（Single Ratio transmision）、AMT模块（Gear Box）、驾驶室模块（cockpit）等，导入各模块后，将整车模型参数、驱动电机和动力电池匹配参数等输入各模块。当各模块选定后，需要建立各模块之间的关系连接，AVL-Cruise模块与模块的连接主要有：物理连接、电气连接和信息连接[5]。其中，物理连接表示各部件之间的真实机械连接关系，如图1中蓝色线，主要依据车辆布置方案以及各部件之间的实际机械连接关系及顺序而确定;电气连接表示部件之间的电力传输关系，如图1中红色线，模型中主要包括电机与电池以及电气附件的电气连接;信息连接表示部件之间的信息数据传输、各种命令和信号的传递等，如图2所示，信号连接是整车建模中最为关键的内容之一，具有较大的难度，该连接关系需要对车辆运行过程中各部件之间的连接和控制关系、信息和命令的传递关系以及车辆动力学、工作原理等有深入的理解，可参考软件自带模型的信息连接进行搭建。建模完成后，通过检查功能（check）进行模型检查，查看模型是否正确。

4 仿真分析

模型建立后，根据仿真需求建立相应的计算任务，由于本文主要目的是通过仿真分析验证动力参数匹配的合理性，因此主要仿真需求包括动力性和经济性仿真分析，其中动力性仿真分析包括车辆最高车速、最大爬坡度和加速时间，经济性仿真分析主要包括等速行驶和C-WTVC续驶里程分析。

4.1 动力性分析

仿真分析整车动力性，包括最高车速、最大爬坡度和加速度时间，其中，最高车速如图3所示，加速时间如图4所示，最大爬坡度如图5所示。

4.2 经济性分析

经济性分析主要包括40km/h等速续驶里程和C-WTVC续驶里程分析，其中40km/h等速行驶电池S0C值变化量与行驶里程，如图6所示，C-WTVC工况电池S0C值变化量与行驶里程，如图7所示。

5 结束语

根据某商用8×4载货车整车动力性和经济性指标，对该载货车的驱动电机及动力电池的参数进行匹配，建立了纯电动汽车动力参数匹配的计算方法，基于AVL-Cruise建立8×4载货车模型，并进行整车动力性和经济性仿真分析，为纯电动车动力系统参数匹配及仿真分析提供分析方法和技术参考。

参考文献

[1] 陈霞琼.某纯电动环卫车动力传动系统参数匹配及仿真优化[D].长沙：湖南大学，2018.

[2] 杨忠平.利用Cruise软件进行整车动力性和燃油经济性仿真分析[J].汽车实用技术，2015（01）：107～109.

[3] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2000.

[4] 冉嘉.纯电动汽车传动参数匹配与传动比优化研究[D].重庆：西南大学，2016.

[5] 白志浩.纯电动轻卡动力系统参数匹配及优化研究[D].合肥：合肥工业大学，2016.