基于CRUISE的纯电动轿车性能仿真与试验研究*

岳凤来，张俊红，周能辉，郑广州

(1.天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072; 2.天津清源电动车辆有限责任公司，天津 300457)

前言

在给定的电池条件下，对电动汽车动力系统各部件进行合理选择，提高电动汽车的动力性能，增加续驶里程，是电动汽车研发机构的共同目标［1］。

AVL CRUISE软件可以实现对复杂车辆动力传动系统的仿真分析和快速搭建各种复杂的动力传动系统模型，并可同时进行正向或逆向仿真分析［2－3］。本文中应用CRUISE软件建立了电动汽车动力系统模型，并用此软件对其动力性能进行了仿真分析，为动力系统选配提供参考。

1 纯电动汽车动力学模型

电动汽车主要性能参数包括:最高车速、加速时间、最大爬坡度和续驶里程。

电动汽车直线行驶时，其动力学方程为

式中各个常用的系数定义可参考文献［4］。

本文中基于一款传统汽油车，原车整备质量和电动汽车设计目标见表1。

表1 原车参数及电动汽车设计目标

2 电机性能需求

电机的功能是替代传统发动机，为整车提供动力来源。在平坦路面行驶时，电机的动力用来克服汽车行驶阻力，主要为滚动阻力和空气阻力。在某一车速下电机的功率需求(忽略坡道和加速阻力)为

式中:Pe为电机功率，kW;ηT为从电机到车轮的机械传动效率;m为整车质量，kg;f为滚动阻力系数;ua为车速，km/h;CD为风阻系数;A为迎风面积，m2。

在某一车速下电机的转矩需求(忽略坡道和加速阻力)为

式中:Ttq为电机转矩，N·m;r为车轮滚动半径，mm;ig为变速器减速比;i0为主减速器减速比。

依据以上原则，初步选定一套额定功率为20kW、最大功率为50kW的电机系统，其外特性曲线和电机系统效率如图1和图2所示。

3 动力电池匹配

电池参数的确定主要考虑到最大输出功率和电池能量，以保证电动汽车的动力性能与续驶里程。目前作为纯电动汽车的动力电池主要有铅酸、镍镉、镍氢、锂离子和燃料电池等。目前电池放电电流和放电时间的计算主要采用Peukert方程［5］，即

式中:I为电流，A;T为放电时间，h;C为电池容量，A·h;n为与蓄电池结构有关的常数。

本文中，初步选择3.6V、80A·h的锂离子动力电池，电池组采用 84只单体串联，组成 302V、80A·h动力电池组。

4 基于CRUISE的整车仿真模型的建立与仿真

4.1 建立CRUISE的整车仿真模型

根据上述各主要部件模型建立整车仿真模型，确定各部件具体仿真参数，如:机械部件的质量与效率，电器部件的质量与功率等。整车传动系统仿真参数如表2所示。

表2 纯电动汽车传动系统仿真参数

对各个动力系统进行建模以后，可得CRUISE整车仿真模型，如图3所示。

4.2 仿真

本仿真的主要目的验证初步选定的各部件参数是否满足车辆设计要求，并希望得到较为准确的动力性能值和续驶里程。按照CRUISE仿真流程，主要内容为:(1)各挡位最高车速计算;(2)各挡位整车加速性能计算;(3)各挡位爬坡性能计算;(4)各挡位匀速行驶续驶里程计算。

5 仿真计算与试验结果分析

仿真边界条件:电池初始 SOC为90%，终止SOC为10%。仿真加载质量等边界条件遵循GB/T18386—2005《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》。

5.1 不同挡位下整车各项性能分析

通过CRUISE仿真计算，得到不同挡位下整车各项性能，见表3。

表3 不同挡位下整车性能仿真结果

从表3中可以得到整车的动力性能、爬坡性能和不同车速下匀速行驶续驶里程。按照该车设计目标，对整车匹配方案进行选择，综合考虑以上因素，固定2挡具有较好的加速性能和爬坡性能，且具有较长的续驶里程，最终选择2挡作为固定速比。

5.2 电动车仿真与试验结果对比

在固定2挡速比下，对整车各项性能进行分析，并与试验结果进行对比，各性能参数见表4，不同车速对应电机转速见表5。

表4 纯电动汽车性能仿真与试验结果对比

表5 不同车速对应电机转速

图4为不同挡位、不同车速匀速行驶续驶里程仿真结果，图5为固定2挡条件下，电动车满载时各车速的爬坡性能仿真曲线，图6为固定2挡条件下，整车加速性能仿真曲线。

由仿真结果与试验结果对比可知，该纯电动轿车的续驶里程、最高车速、加速性能和爬坡性能等动力性能满足设计目标，该匹配方案合理。动力系统和传动系统的参数选择满足设计要求，仿真计算结果与试验结果误差小于5%，仿真结果合理可靠。

从仿真结果还可得出，车速在30km/h匀速行驶时可得到最长续驶里程，该车速为最经济时速。

6 结论

(1)应用AVL CRUISE仿真软件，进行了某纯电动汽车动力系统的建模与仿真分析，能够有效地对纯电动汽车的性能进行预测，为纯电动汽车的研究开发提供可靠的依据。

(2)纯电动汽车的性能仿真，为动力系统选择与匹配提供了参考，仿真计算与试验结果误差较小，仿真结果合理可靠。所选动力总成部件与整车匹配后能够满足纯电动轿车动力性能的要求。

［1］姬芬竹，高峰，周荣.电动汽车传动系统参数设计和续驶里程研究［J］.辽宁工程技术大学学报，2003，25(3):426 －428.

［2］AVL Cruise Version 3.0 User's Guide［G］.AVL LIST GmbH，2005.

［3］刘振军，赵海峰，秦大同.基于CRUISE的动力传动系统建模与仿真分析［J］.重庆大学学报(自然科学版)，2005，28(11):8 －11.

［4］余志生.汽车理论［M］.北京:机械工业出版社，2000.

［5］Dkarimi M，Mokhtari H，Iravani M R.Wavelet Based On-line Disturbance Detection for Power Quality Application［J］.Power Delivery，2000，15(14):1212－1220.