基于CRUISE的微型纯电动汽车动力系统匹配仿真

韩孙冰

（同济大学 上海市 200092）

1 引言

本文以国内市场微型纯电动汽车的需求定位为基础结合实际需求，基于最高车速、加速性能、爬坡能力和续航里程等主要性能设计一款微型电动汽车的动力系统。根据微型纯电动汽车整车基本参数和性能评价指标，对其动力系统中的零部件：驱动电机、电池、传动机构进行选型和参数计算匹配。利用CRUISE 汽车动力学仿真软件建立微型纯电动汽车的整车动力模型，包括驱动电机模型、动力电池模型、传动系统模型等，并进行动力性和经济性的仿真分析。最后为提高整车的动力性和经济性，采用区间优化算法优化传动系统的传动比并进行仿真分析，与未优化的动力性和经济性进行对比验证优化效果。

2 电动汽车动力学分析

2.1 电动汽车纵向力学分析

电动汽车的动力系统采用电池作为动力源，配合电机、减速器、半轴、车轮来驱动汽车行驶。在针对动力系统匹配时，整车性能设计指标是基础，需要依靠电动汽车的整车纵向动力学受力分析来进行计算和匹配。由图1 可知电动汽车的受力情况，主要受力情况为行驶阻力和驱动力，可以建立汽车受力平衡方程式，从而计算出汽车功率的功率平衡方程式，为后续的动力系统的精确匹配提供可靠的理论基础。

图1：电动汽车的受力分析

电动汽车的纵向受力情况可以用如下力学公式表达：

Ft=Fw+Ff+Fi+Fj

图1 为加速爬坡工况，其中Ft是汽车的驱动力；Fw是汽车在爬坡过程中的空气阻力；Ff是汽车在行驶过程中的车轮滚动阻力；Fi是汽车在加速行驶时产生的加速阻力；Fj是汽车在爬坡行驶时产生的爬坡阻力。

根据上述的汽车纵向受力示意图分析得知，在汽车加速爬坡过程中，汽车需要克服空气阻力Fw、滚动阻力Ff、加速阻力Fi以及坡道阻力Fj产生的合力，才能驱使汽车向前行驶，所以驱动力Ft应该大于或者等于各项阻力产生的合力才能驱使汽车正常加速爬坡行驶[1]。

2.2 电动汽车性能评价指标

电动汽车的主要性能通常从动力性和经济性两个方面来评价。动力性是指汽车在平直良好的路面上直线行驶时，受纵向外力决定的、所能达到的平均行驶车速。在保证电动汽车动力性能的首要前提下，尽可能的以较低电耗行驶，是评价电动汽车经济性能的主要指标。根据GB/T18385-2005 给出的电动汽车动力性评价指标得出，国标中将汽车的最高车速、加速性能、最大爬坡度这三个评价指标来评价整个汽车的动力性能的好坏[2]。

评价纯电动汽车的经济性能主要看该车的最大续驶里程和电池的能量消耗。评价电动汽车经济性的指标中，国标规定主要有两种，第一种为等速60km/h 巡航工况，第二种为NEDC 循环工况。后续的匹配优化将会依照评价指标进行研究分析。

3 电动汽车动力系统参数设计与匹配

动力系统是电动汽车的关键部分，主要由驱动电机系统和动力电池组成，驱动电机和动力电池的参数计算、匹配和选型直接影响着整车的动力性能和经济性能。

3.1 驱动电机系统

在驱动电机的类型选择上，体积小、质量轻、能够满足汽车频繁起步、加速、减速等情况。故本文选择永磁同步电机作为驱动电机。驱动电机在功率选取时，首先要满足纯电动汽车在各种行驶工况下所需的总功率的最大值，即确定驱动电机的峰值功率。本文设计的该辆微型纯电动汽车的最高时速大于120km/h，计算可以得出:以最高车速行驶时所需的功率为大约20kW。该辆微型纯电动汽车在爬最大坡度时的稳定时速为15km/h，计算可以得出在爬最大坡度时所需的功率为19.3kW。驱动电机的最大功率是额定功率的2-3倍，上述已经确定了额定功率为20kW，因此可以确定驱动电机的最大功率约为50kW，若考虑实际，最大功率可以高于50kW。驱动电机转速匹配时通过结合整车性能指标，考虑电机成本、电机结构、高效工作区间等因素后选取合理的额定转速。通过对标市场同级别微型纯电动汽车的设计方案，结合自身整车性能指标，最终确定电机的最高转速为8000r/min,取电机的额定转速为3000min/r。驱动电机的额定转矩取决于电机的额定功率和额定转速，额定功率越高，额定转速越小，其额定转矩会越大。上述数据计算可得驱动电机额定转矩为Tε=64N.m ，最大转矩Tmax=192N.m。

合理地设计与计算变速器和减速器的参数，直接决定了纯电动汽车能否在最高效的效率区间内行驶，也直接决定了驱动电机能否在高效率区间内工作。因本文选择的是机电集成驱动布置形式，因此只需考虑减速器速比即可。初步选择8.9 为该电动汽车的传动比，后续将进行进一步优化设计[3]。

3.2 动力电池参数匹配

动力电池是纯电动汽车的唯一能源，动力电池性能的好坏直接决定了电动汽车的动力性能和经济性能。

参考表1 动力电池介绍，锂离子电池综合情况最优，因此选择锂离子电池作为动力电池。由于车载其他设备需要供电，比如DCDC、MCU、空调、音响设备等，最终结合对标方案，并通过上述理论计算，确定选择85 个电池单体，单体额定容量为75Ah，电池组额定电压为314.5V，电池组额定总能量为23.59kWh，电池组最大能量26.78kWh。

表1：动力电池介绍

不考虑电池的SOC 放电特性，不考虑电动汽车其他电器工作的理想情况下，按照等比算法计算，该车等速50km/h 续航里程应该在250-300km 之间，该电动车的动力系统匹配结果如表2所示。

表2：动力匹配参数

4 基于CRUISE的建模与仿真

4.1 CRUISE汽车动力学仿真软件介绍

CRUISE是一款可以模拟整车动力性能和经济性能的仿真软件，内置了如电机模块、轮胎模块、电池模块等汽车零部件组件，用户可以根据自身设计需求如不同的车辆种类及动力布置形式搭建车辆模型并快速地进行仿真验证。CRUISE 内置的精确求解器，可以保证计算的精确度。同时还内置了很多道路工况，例如NEDC 工况，0-100Km/h 加速工况等，可以支持工况的修改以便更好地适应仿真工况的变化要求。

4.2 仿真模型的建立

4.2.1 整车模型建立

本文按照实际车辆的动力传输路径为基础，通过该软件构建了纯电动汽车的整车模型。整车模型用CRUISE 搭建好之后，将各个模块之间的信号交互设置完备，随后详细设置整车的基本性能参数：将质心到前轴的距离设置为1180mm，轴距为2360mm，质心高度为200mm，整备质量为1120kg，满载质量为1420kg，风阻系数为1.275m2。

4.2.2 驱动电机模型建立

创建电机模块后，电机类型选择为PSM 类型，标称电压设置为314.5V，峰值转速为8000r/min，峰值扭矩为190Nm，其他参数选择默认模式。选择永磁同步交流电机类型后，将电机的外特性曲线数据导入后会生成横坐标为扭矩（N/m）、纵坐标为转速（r/min）的特性图。

4.2.3 动力电池模型建立

在CRUISE 中创建动力电池模块，根据动力电池匹配计算得出的数据，设置额定容量75Ah，放电量为总容量的95%，额定总电压为314.5V，最大电压为357V，最小总电压为305.15V，串、并联方式可以等效为1 串1 并。因选用的是锂离子电池，其电池单体额定电压为3.7V，单体最高电压为4.2V，主要放电区间在3.7-4.2V之间，所选锂电池在3.59V 以下便无放电能力，因此该电池组的最低电压即为SOC 为0 时刻的电压，最低电压为305.15V。

4.2.4 传动系统模型建立

纯电动汽车的传动机构较传统汽车得到大大简化，只需做成单级减速器即可。通过计算初步确定了该电动汽车的减速比为8.9，在CRUISE 建模的过程中设置减速器模型的减速比为8.9 即可[4]。

4.3 纯电动汽车仿真结果分析

4.3.1 最高车速仿真结果分析

建立整车模型之后，在传动比为8.9 的条件下，仿真该款纯电动汽车的最高车速，在传动比8.9 的情况下，最高车速约为139.39km/h，符合设计的最高时速大于120km/h 的要求，达到预期效果。

4.3.2 加速时间分析

在最高车速仿真过程中取点可知，大约在17.96 秒左右，该汽车达到100km/h，即该车百公里加速时间为18.13 秒左右；在0-50km/h 的加速时间为5.49 秒，小于6 秒；50-80km/h 的加速时间为6.07 秒，小于设定阈值8 秒，符合微型纯电动汽车的加速要求。

4.3.3 最大爬坡度仿真分析

在传动比为8.9 的条件下，仿真该款纯电动汽车的爬坡能力。爬坡能力在时速大约30km/h 的情况下递减速率骤然增大。本文设计的纯电动汽车以时速15km/h 的稳定时速行驶时，所能爬的最大坡度大于30%，在15km/h 的时速时刻所对应的最大爬坡度大约为34.87%，满足了设计的要求，达到了预期效果。

4.3.4 经济性-等速50km/h 续驶里程仿真分析

建立整车模型之后，手动配置工况为50km/h 等速工况。在传动比为8.9 的条件下，仿真该款纯电动汽车的等速50km/h 的续驶里程。仿真后得出的结果可知最大续驶里程大约为281km。该工况下的最大续驶里程250-300km 的范围。

4.3.5 经济性-NEDC 循环工况仿真分析

建立整车模型之后，将CRUISE 自带的NEDC 工况数据导入，生成NEDC 循环工况图[5]。在传动比为8.9 的条件下，仿真该款纯电动汽车的NEDC 循环工况。由该工况下的耗电量仿真结果分析可知，在NEDC 工况下每跑100km，耗电量为13.35kWh。该结果优于预期设计的计算值，基本达到设计需求。

针对设计搭建的微型纯电动汽车模型进行了动力性仿真和经济性仿真。仿真结果表明，在传动比为8.9 的情况下，该车的动力性和经济性仿真数据基本满足了设计的要求。

5 基于区间优化算法的传动比优化分析与实车验证

本文针对微型纯电动汽车采用固定传动比的单级传动方案，通过理论计算确定了单级传动比的取值范围，并最终选择区间优化算法优化传动比的选择。基于仿真获得的大量数据，详细罗列了在不同传动比下该电动汽车的动力性和经济性的表现，并绘制出图形。结合本文设计的整车定位需求，设定了最高车速、加速时间、最大爬坡度、NEDC 循环工况的续驶里程四个方面的权重系数，通过区间优化算法的公式，计算出上述四个方面的综合评价指标，选取最高的综合评价指标所对应的传动比为8.43 作为优化后的传动比。通过优化前和优化后的仿真对比可知，在最高车速、加速时间、NEDC 工况这三个方面通过优化后有了更好的提升，而在爬坡性能上，略有下降，但是该车的爬坡性能已经满足该车的设计需求。因此确定该车的传动比在8.43 的情况下，其动力性和经济性的等方面的性能达到最优，提高了整车的性能。最后通过实车测试了整车的动力性能和经济性能，经过实车测试验证了动力匹配计算和仿真的合理性。