基于Cruise的纯电动汽车性能仿真及测试验证

员汝娜 邹忠月 张腾 赵旭阳

（河南速达电动汽车科技有限公司）

目前，纯电动汽车发展前景广阔，作为电动汽车的核心部件，动力系统匹配是否合理直接影响着整车性能的好坏[1]。以往，电动汽车主要通过台架试验或道路测试来对其动力性和经济性能进行评价，但是电机、电池及动力系统的匹配方案和各关键部件的参数变化多样，如果针对每种方案都进行实车测试不仅会增加成本，而且会延长研发周期。基于上述问题，文章利用Cruise 软件中的零部件模块，针对各种方案快速建立整车模型，通过创建计算任务对整车的动力性和经济性能各项指标进行模拟计算，快速选出最佳匹配方案，然后通过实车测试验证了仿真模型的准确性，大大缩短了整车研发周期，节约了企业成本[2]。

1 动力系统关键参数匹配计算

1.1 整车基本参数及性能要求

文章所研究的纯电动汽车的整车基本参数和性能要求，如表1 所示。

表1 纯电动汽车整车基本参数和性能要求

1.2 驱动电机参数匹配计算

1.2.1 额定/峰值功率

额定功率和峰值功率是驱动电机的2 个重要参数[3]。一般来说，驱动电机的额定功率首先应该满足汽车以最高车速行驶时所需要的功率，这是因为不同于爬坡和加速，汽车以最高车速行驶是长时间的行驶状态，因此一般以汽车在平坦道路上最高车速行驶时的功率来确定驱动电机的额定功率，以最高车速功率、最大爬坡度功率以及加速时间功率中的最大值确定驱动电机的峰值功率。

根据最高车速确定的驱动电机的额定功率（Pe/kW）为：

式中：η——传动系统机械效率；

m——满载质量，kg；

g——重力加速度，m/s2；

f——滚动阻力系数；

CD——风阻系数；

A——迎风面积，m2；

vmax——最高车速，km/h。

根据最大爬坡度确定的驱动电机功率（Pmax1/kW）为：

式中：α——坡度角，α=arctan i；

i——最大爬坡度，%；

vα——爬坡车速，km/h。

根据加速时间确定的驱动电机功率（Pmax2/kW）为：

式中：δ——旋转质量换算系数；

t——加速时间，s；

x——拟合系数，一般取0.5；

vt——汽车加速末速度（这里取100 km/h）。

通过式 （1）～ 式 （3） 计算可得：Pe=31.88 kW，Pmax1=47.25 kW，Pmax2=71.83 kW。综合考虑可选电机的额定功率为40 kW，峰值功率为80 kW。

1.2.2 额定/峰值转速

一般来说，驱动电机的额定转速要满足常规车速的需求，峰值转速要满足最高车速的需求。文章将常规车速设定为50 km/h，最高车速设定为130 km/h。

式中：n——电机转速，r/min；

I——减速器速比；

v——车速，km/h；

r——轮胎滚动半径，m。

通过式（4）计算可得：额定转速ne=3 367 r/min，峰值转速nmax=8 753 r/min。

1.2.3 额定/峰值转矩

驱动电机的额定转矩（Te/N·m）一般由电机的额定功率和额定转速来确定：

驱动电机的峰值转矩（Tmax/N·m）要满足汽车起动转矩和最大爬坡转矩，并结合汽车的减速比来确定：

通过式（5）和式（6）计算可得：Te=114 N·m，Tmax=223 N·m。

基于上述计算结果，选取某款永磁同步电机做为该电动汽车的驱动电机，该电机基本参数包括：额定功率和峰值功率分别为40 kW 和80 kW；额定转速和峰值转速分别为3 357 r/min 和9 000 r/min；额定转矩和峰值转矩分别为128 N·m 和240 N·m。

1.3 动力电池参数匹配计算

选取电池容量为120 A·h，单体为3.66 V 的三元锂离子（镍钴锰酸锂）电池作为动力电池。为了满足整车的动力性和续驶里程要求，单体电池的数目应满足驱动电机的最大输出功率和续驶里程的要求[4]。根据驱动电机最大输出功率确定的电池组数目（N1）为：

式中：Pemax——驱动电机最大输出功率，kW；

Pbmax——单体电池的最大输出功率，kW；

ηe——驱动电机系统效率，这里取85%。

根据续驶里程要求确定的电池组数目（N2）为：

式中：Pe60——等速60 km/h 行驶时电机的输出功率，kW；

L——等速60 km/h 的续驶里程，km；

CS——单体电池容量，A·h；

VS——单体电池电压，V；

ηb——单体电池放电深度，这里取90%；

ηe60——等速60 km/h 行驶时驱动电机系统效率，这里取90%。

通过式（7）和式（8）计算可得：N1=52.3，N2=86.6，而电池组数目 N≥max{N1，N2}，因此取 N=90。

基于上述计算结果，这款电池容量为120 A·h，单体电池额定电压为3.66 V 的动力电池组个数为90。

2 整车模型仿真

2.1 基于Cruise的整车模型建立

作为一款可以对整车动力性和经济性进行仿真分析的软件，Cruise 中集成了汽车各个零部件，方便整车模型仿真搭建[5]。基于Cruise 搭建的整车模型，如图1所示。该模型包括：车辆（Vehicle）模块、轮胎（Wheel）模块、制动器（Brake）模块、差速器（Differential）模块、变速器（Transmission）模块、电机（Electric Machine）模块、电池（Battery）模块、电池管理系统（Battery Manage）模块、驾驶室（Cockpit）模块、监视器（Monitor）模块、MATLAB DLL 模块以及灯、仪表、空调等用电器模块，各模块之间通过电气、机械以及信号进行连接[6]。其中MATLAB DLL 模块内添加了电机控制策略和制动能量回收策略的Simulink 模型。

图1 基于Cruise 搭建的整车模型

2.2 仿真结果分析

2.2.1 动力性能仿真结果

某纯电动汽车动力性能仿真结果，如图2 所示。该车最高车速的仿真结果为133 km/h，此时对应的电机转速为8 955 r/min。汽车的最高车速主要受到电机峰值转速和主减速器速比的限制。从图2a 可以看出，当车速为30 km/h 时，该车对应的爬坡度为32.20%，满足设计要求；从图2b 可见，车速由0 加速至100 km/h 所需时间为11.75 s。

图2 某纯电动车动力性能仿真结果

2.2.2 经济性能仿真结果

在汽车制动过程中，驱动车轮在惯性下带动驱动电机旋转，此时电机不向外输出驱动转矩，电机处于馈电状态，将汽车行驶的动能转化为电能储存至动力电池中，延长汽车的续驶里程[7]。

在使用Cruise 对整车进行经济性能仿真时，添加了制动能量回收部分，有效延长了NEDC 工况下的续驶里程。图3 示出在一个NEDC 循环工况下，车速及电池SOC 随时间的变化规律。从图3 可以看出，在汽车制动过程中，SOC 略有回升，此时驱动电机处于馈电状态，对动力电池进行充电，可有效延长NEDC 工况的续驶里程。图4 示出NEDC 工况及等速60 km/h 工况下汽车的续驶里程。

图3 NEDC 工况下某纯电动汽车车速和电池SOC 的变化规律

图4 某纯电动汽车在不同工况下的续驶里程

由仿真计算结果可以得到：

1）在未考虑电池充电效率的情况下，在NEDC 工况下的汽车的续驶里程为281 km，对应的耗电量为140.57 W·h/km；

2）等速60 km/h 工况下汽车的续驶里程为370 km，对应的耗电量为106.76 W·h/km；

3）在NEDC 工况下，虽然对制动能量进行了回收，但是该工况下汽车需要频繁地启停和加速，电机工作在不同的效率区，导致续驶里程较等速工况下短。

3 实车测试

3.1 测试条件

为了验证所匹配动力系统的合理性以及Cruise 仿真的准确性，对该纯电动汽车进行了测试验证。整车的动力性能和经济性能分别按照GB/T 18385—2005《电动汽车动力性能试验方法》[8]和GB/T 18386—2005《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》[9]进行试验。

3.2 测试结果

在实车测试的过程中，为了保证试验数据的准确性，共进行了初试和复试2 轮测试。整车性能试验结果，如表2 所示。由表2 中整车动力性和经济性能的试验结果对比可以看出，整车试验结果与仿真各项数据相差不大，且均满足整车的设计要求，造成数据差异的原因可能是仿真过程中模型的部分参数标定不够准确，或者是驾驶员的实际操作引起的偏差。综合考虑整车各性能的仿真结果和试验结果，该款纯电动汽车的动力系统参数匹配合理，同时证明了基于Curise 建立的整车模型的准确性。

表2 某纯电动汽车整车性能试验结果对比

4 结论

文章基于某款纯电动车的整车基本参数和性能要求，对驱动电机以及动力电池的各项参数进行了匹配计算。基于Curise 软件搭建了整车模型，对整车性能进行了仿真计算，结果表明：该车最高车速为133 km/h，0～100 km 加速时间为11.75 s，当车速为30 km/h 时对应的爬坡度为32.20%，NEDC 工况续驶里程为281 km，等速60 km/h 工况下的续驶里程为370 km，动力性及经济性指标均满足设计要求。同时对所设计的纯电动汽车进行了装车验证，结果表明整车试验结果与仿真各项数据相差不大，且均满足整车的设计要求，说明了该款纯电动汽车动力系统参数匹配的合理性，以及基于Curise 建立的整车模型的准确性，减少了电动汽车在设计初期的盲目性，还可作为下一步优化提升的模型基础，大大简化了整车的开发流程。