基于Cruise 的纯电动车动力匹配仿真开发

2021-07-03 02:51夏涛

农业装备与车辆工程 2021年6期

夏涛

（330001 江西省南昌市江铃集团晶马汽车有限公司技术中心）

0 引言

发展新能源汽车已成为社会共识，更成为中国举国上下推动的可持续发展国家战略之一。在国家利好政策驱动下，纯电动车取得了快速发展。纯电动商用车相对于纯电动乘用车而言，从充电站、性能要求到维修、保养都有独特的优势[1]。在开发初期采用专业仿真软件对纯电动车进行建模及仿真研究，能节省大量的时间，并使模型过程简单化[2-3]。

本文以公司纯电动商用旅游客车开发为例，在动力参数匹配中首先确定驱动电机总成，根椐续驶里程设计要求选择动力电池容量，以实现综合性能优化设计目标。并利用Cruise 软件对纯电动车进行整车建模，对其动力性及经济性进行各项指标进行仿真分析研究。

1 纯电动客车的参数匹配

1.1 基本参数及设计要求

电动客车的动力性能主要取决于动力系统的参数匹配，本文所涉纯电动客车的基本参数和性能指标要求如表1、表2 所示。通过理论计算，完成纯电动客车的动力匹配，主要包括对驱动电机、动力电池等总成的选择等[4]。然后，利用Cruise 软件对该车进行整车建模,并对其动力性、经济性进行仿真分析研究。

表1 纯电动汽车基本参数Tab.1 Basic parameters of pure electric vehicle

表2 纯电动汽车性能指标Tab.2 Performance target of pure electric vehicle

1.2 驱动电机的确定

驱动电机性能是决定整车动力性与经济性的关键因素之一。选择电动汽车的驱动电机需要匹配的主要参数有电机的类型、功率、转速和转矩等。电动汽车驱动电机功率应能满足电动汽车对最高车速、最大爬坡度以及一定加速时间满足一定加速度的要求[5-7]。

（1）确定驱动电机最大功率

车辆最高行驶车速100 km/h 需要驱动电机提供的功率为

根据整车最大爬坡性能确定最大功率为

车辆在水平路面上行驶一定速度的加速时间也是反映车辆动力性的重要指标，假设整车在平坦路面加速，瞬态过程总功率等于加速过程的末时刻t 时电动汽车需求最大功率为Pmax3,并且假设dv/dt=Vt/T(匀加速时间为T）。则整车加速功率需求可以简化为

最后，确定的电动汽车总功率必须满足下面的条件，即Pmax≥max[Pmax1，Pmax2，Pmax3]：式中：Pmax——驱动电机最大需求功率；Vmax——车辆最高车速；ηt——系统传动效率；t——加速时间；Vt——加速时间t 最终车速；σ——汽车旋转质量换算系数，取1.04～1.08。

将表1、表2 相关数据代入式（1）—式（3），计算得：Pmax1=103.7 kW·h，Pmax2=121.2 kW·h，Pmax3=154.3 kW·h。

（2）根椐最大爬坡度确定电机扭矩

因为纯电动汽车完全由电机直接驱动，电机必须能够为车辆提供充足的加速功率和爬坡扭矩，因此，电机的扭矩参数要根椐整车的爬坡性能确定。车辆在一定的车速下能够爬上的坡度大小反映了车辆的爬坡性能，则

式中：Tmax——驱动电机最大扭矩需求；imax——车辆最大爬坡度需求；ηt——系统传动效率；i0——已选定后桥速比。

将表1、表2 相关参数代入式（4），得Tmax=1 508.5 N·m

（3）根椐最高车速确定电机最大转速

电动机的最高车速可由客车的最高车速确定，根据驱动电机转速与扭矩的关系以及相应的支撑条件，可得：

式中：Nmax——驱动电机所需最大转速；Vmax——车辆最高车速；r ——车轮滚动半径。

将上述参数代入式（5）得Nmax=3 824 r/min。

（4）驱动电机选择

根椐驱动电机的实际特点，合理过载系数，选择驱动电机合理转速及最高转速。综合以上计算结果和分析，本车型选用永磁直流电机，该电机主要性能参数如表3 所示。

表3 电机主要性能参数Tab.3 Main performance parameters of motor

1.3 动力电池参数匹配

相比传统的铅酸电池，锂电池具有较高的能量密度，可快速充电，且有循环使用寿命长、安全系数高等特点。本车型选用磷酸铁锂电池，电压平台选用高压平台。

纯电动汽车续航里程S 所需能量可用等速法和工况法来计算，在初步设计中采用等速法来进行续航里程理论核算[8-10]。所以纯电动客车以Va等速行驶的阻力功率及整车能量消耗为

式中：Pa——等速Va行驶所需要的功率；S——等速行驶里程为设计要求；pm——电机控制器输入功率；ηm——电机及电机控制器总成效率；Wr——纯电动车续驶里程S 所需要的能量。

假定动力电力组有效电容系数为0.9,则动力电池能量Eb满足的条件：

代入式（6）—式（8）得 Eb≥135.99 kW·h。

因目前市场上纯电动客车动力电池都采用标准箱，本车型动力电池组选用4 个标准箱串联而成，动力电池组相关参数信息如表4 所示。

表4 动力电池组参数Tab.4 Parameters of power battery pack

2 基于Crusie 的纯电动客车建模与仿真

2.1 基于Crusie 建模

2.1.1 整车模型建立[11]

Crusie 软件采用模块化设计方法可搭建多种结构形式的汽车传动系统模型，并可针对性地制定多种性能仿真任务。本文整车模型选用整车模块、驾驶室模块、单级减速模块、驱动电机、动力电池、车轮和制动器等模块，建立模型如图1 所示。

图1 基于Crusie 建立纯电动车模型Fig.1 Building a pure electric vehicle model based on Cruise

2.1.2 整车模型参数设置

整车模型的机械连接和信号连接完成后，整车模型中各模块的参数需要进行设置，输入参数包含整车参数（如迎风面积、轴距、空气阻力系数、整车整备质量、总质量、滚动阻力系数，电机特性参数、主减速比、动力电池参数、车轮半径、传动效率等。

2.1.3 设定计算任务

使用Cruise 软件计算模块Constant Drive任务来计算整车最高车速，使用Full Load Acceleration 任务来计算加速度，使用Cycle Run任务来计算续航里程。其中，60 km/h 等速工况可在Cruise 软件计算任务模块Tast Folder 下的profile 文件建立60 km/h 等速工况，为减少运时间可将循环距离设定为100 km。NEDC 全名叫做New European Driving Cycle，该工况总里程为10.93 km,时间为1 225 s，由4 个市区循环和1 个市郊循环组成[12-13]。其中市区循环最大车速50 km/h,平均车速19 km/h,市郊循环最大车速120 km/h,平均车速62 km/h,如图2 所示。