短途纯电动汽车动力系统参数匹配与仿真＊

王旭，申彩英，黄福全，王崇

（辽宁工业大学 汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121000）

引言

随着国家政策的逐步出台与国民认识的逐步加深，纯电动汽车在市区使用得越来越多，其良好的乘坐舒适性、低噪音、零排放深受大众的认可。本论文以在市内运行的乘用车为出发点，参照某款车型，根据动力性能指标，对动力总成的各个部分进行计算与匹配，利用cruise 软件搭建模型，并进行仿真验证，分析设计参数是否符合预期。

1 动力系统参数匹配

1.1 动力系统组成

纯电动汽车是目前应用最为广泛的新能源汽车，参数匹配主要对电动机、蓄电池、主减速器等组件进行基本参数的确定，使汽车工作效率提高。由于电动机的调速范围比较大，本设计只采用主减速器减速增扭。

1.2 整车基本参数与性能指标

在某一款电动汽车整车基本参数基础上，对动力总成各部件进行计算匹配，本文设计车型为满足日常在城市内基本出行的需求，初步确定性能指标。

1.3 电动机参数计算

电动机的参数主要为峰值功率、额定功率、峰值转速、额定转速等，额定功率要满足汽车以匀速在平坦路面行驶的要求，峰值功率要满足汽车的大功率需求，如加速或者爬坡时。

表1 整车基本参数

表2 性能指标

1.3.1 功率计算

（1）最高车速下需求功率P1

整车以最高车速行驶时，忽略加速阻力与坡度阻力。

式中m 为整备质量1200kg，f 为滚动阻力系数0.017，umax为最大车速120km/h，CD为空气阻力系数0.3，A 为迎风面积2.05m2。计算得到P1=23.5kw。

（2）电动汽车在水平路面上从0 加速到100km/h，需求功率满足P2[1]

式中u 为末速度100km/h，t 为加速时间，这里取性能指标15s，δ为旋转质量换算系数1.05.计算得到P2=63.2kw。

（3）电动汽车以某一车速爬坡计算需求功率，这里取性能指标20%坡度。需求功率为P3：

式中α为爬坡角度，取性能指标20%，ua为爬坡车速，取20km/h。计算得到P3=37.7kw。

驱动电机的峰值功率要满足：

考虑到功率损失与工作效率问题，Pmax取70kw。

根据电机峰值功率与额定功率的关系得到，额定功率：

式中λ为电机过载系数取为2.5，Pe=30kw。

1.3.2 转速计算

电动机的转速越高，制造工艺要求越高，生产成本自然更高，为满足经济性要求，参考同级车，初步选定主减速比为6.5。

电机最高转速与最高车速关系为：

式中i 为主减速比，初步选定为6.5 参与计算，r 为车轮滚动半径0.28.通过计算取nmax为7500r/min。

电机额定转速满足：

式中β为电机恒扩大功率系数，一般取2-3。ne取3000r/min。

1.3.3 最大转矩和额定转矩

根据转速、功率、转速之间的关系：

经过计算得到最大转矩为222N·m。

2 主减速比的确定

在驱动电机输出特性一定时，电动汽车传动比的选择应满足整车动力性能的要求[2-3]，因为电机调速范围较大，所以只选择主减速比进行减速增扭。主减速比的确定要满足：

式中α为爬坡角，umax为最高车速120km/h，f 为轮胎滚动阻力系数0.017。

计算得到4.48≤i≤6.5975。选定主减速比为6.5。

3 蓄电池

蓄电池的主要参数为功率、容量等，分析目前常用的几种动力电池，本文选用锂离子电池，参考18650 锂电池，电池单体额定电压一般为3.6v，最小放电终止电压一般为2.5-2.75v，容量约为3200mAH。

3.1 电池数量

为保护蓄电池，增加蓄电池的使用寿命，电池的最大放电电流不宜过大，这里设计最大放电电流300A[4]，所以蓄电池电压等级要满足：

串联数量为：

求得N=65，所以串联65 节。

3.2 蓄电池容量

电池组要满足汽车续驶里程的要求，取匀速60km/h 行驶80km 工况计算蓄电池组容量。汽车以匀速行驶需求功率为：

式中u 为匀速行驶速度60km/h。所需求能量为：

式中x 为续驶里程，u 为行驶速度。经计算，为满足能量要求最少需要并联12 组。在考虑蓄电池不过放，这里取并联16 组。

4 仿真分析

4.1 整车模型搭建

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，广泛应用于纯电动汽车的性能仿真分析中[5]。本文选用cruise搭建车辆仿真模型，通过选用模块，并且将各模块之间物理连接、电气连接、信息连接搭建完毕。设置循环任务，爬坡任务，加速任务等仿真验证动力系统。

图1 整车模型图

4.2 数据仿真分析

仿真分析包括爬坡性能、加速性能、循环工况续驶里程等。

4.2.1 动力性仿真

分析图2 和图3，通过设置task folder 任务进行仿真分析，得到加速仿真曲线，仿真得到最高车速可以达到200km/h，0-100km/h 加速时间为8.18s，并且最大爬坡度为27%。满足动力性需求。

图2 最高车速

图3 最大爬坡度

4.2.2 续驶里程

设置NEDC 循环工况，续驶里程设计目标为80km，这里设定10 仿真任务。

图4 循环工况仿真结果

分析仿真图，在循环工况总行驶里程为80011m 的时候，蓄电池SOC 值为35.02%。在蓄电池SOC 值下降到20%，循环工况里程达到98403m。仿真结果表明在保证蓄电池不过放的前提下满足续驶里程80km 的要求，满足设计目标。

5 结语

本文定位于城市内乘用车的要求，通过对动力总成进行参数匹配，并经过cruise 软件搭建模型并仿真验证，结果表明数据基本符合预期目标，满足动力性、续驶里程要求。