电动汽车Cruise模型及其动力经济性匹配分析

2021-03-29卢浩博田野

汽车实用技术 2021年5期

卢浩博，田野

（神华宝日希勒能源有限公司设备维修中心生产技术部，内蒙古呼伦贝尔 021025）

引言

在未来技术进步及对能源与环境关注的多驱动下，能源需求和能源结构发生了重大调整，低碳化和可再生化将成为汽车发展的必然趋势。发展新能源汽车成为缓解石油资源短缺、解决环境污染问题、实现汽车产业结构升级的重要手段。电动汽车作为新能源汽车的主要组成，在全球范围内的普及与推广已获得巨大认可，并发展迅速[1]。

AVL Cruise 作为一款非常专业的汽车仿真分析软件，可实现汽车的动力性、燃油经济性、排放性能及制动性能的模拟分析[2]。该软件的求解器可准确求解各种复杂模型对应的数学模型，其模块化的建模理念可以帮助设计者快速简便地搭建汽车模型。

本文基于Cruise软件，对某电动汽车的整车动力性和经济性进行匹配分析，其计算参数如表1所示。

1 汽车整车模型建立

本文所研究的电动汽车传动系统布置空间相对较小，因此，选用机电集成驱动布置形式。此布置形式的整个传动长度较短，传动装置体积小，占用空间小，容易布置，可进一步降低整车的质量[3]。图1为搭建好的电动SUV汽车整车模型。

表1 计算参数

图1 电动SUV汽车整车模型

2 参数选择

2.1 电动机参数选择

本文选择永磁同步电动机。永磁同步电动机效率高、体积小、质量小，调速范围宽，电机启动时，具有电流冲击小、电流随负载变化小的优点，可提高电动汽车的乘坐舒适性[4]。

2.1.1 电动机的额定功率和峰值功率

（1）根据电动汽车最高车速确定电动机功率

电动汽车以最高车速行驶消耗的功率为：

式中：Umax为最高车速；m为整备质量；g取9.8 km/s2；f为滚动阻力系数；CD为迎风阻力系数；A为迎风面积；ηt为机械传动系统效率，其取值范围为ηt≥0.95，此处取0.96。最终Pmax1取值为37.88 kW。

（2）根据电动汽车最大爬坡度确定电动机功率

要满足最大爬坡度需求，汽车爬坡的一般速度为 40 km/h，以该车速爬上最大坡度所需功率为：

式中：Up为 40 km/h；αmax=arctan0.3≈16.7°。最终 Pmax2取值为40.28 kW。

（3）根据电动汽车加速性能确定电动机功率

设定从0到100 km/h需用时14s，具体计算如下：

①电动汽车从0加速到50 km/h所需功率：

式中：Uj为电动汽车加速后达到的速度，此处取50 km/h；tj取 6.7s。δ为汽车旋转质量换算系数，一般取值为1.1～1.4，此处取1.13。将上述数据代入（3）式计算得其结果为72.42 kW。

②电动汽车从0加速到100 km/h所需功率：

此时，Uj取值为100 km/h，tj取11.7s，这两个数据代入（3）式计算得其结果为142.35kW。

电动机额定功率应满足电动汽车对最高车速的要求，峰值功率应同时满足电动汽车对最高车速、最大爬坡度和加速度的要求。所以电动汽车电动机的额定功率和峰值功率分别为：

电动汽车电动机的峰值功率与额定功率的关系：

式中，Pemax为电机的峰值功率；Pe为电动机的额定功率；λ为电动机的过载系数，一般取2～3。

考虑到电动机过载系数，取电动机额定功率为60 kW，取电动机的峰值功率为180 kW。

2.1.2 电动机的最高转速和额定转速

驱动电机的最高转速在满足最高车速要求的前提下不应过高，转速过高会增加电机地制造工艺难度，从而增加成本。由于本车型对车速要求较高，所以选用高速电机。普通高速电动机的转速为 10000～15000 r/min，最高转速初步设定为12000 r/min。

式中，β为恒功率区系数，取β=2.3；nmax为电机最高转速；ne为电机额定转速。计算得ne=5217 r/min。

2.1.3 电动机转矩的匹配

电机转矩与其功率和转速的关系如式（8）所示：

式中，Te表示额定转矩，N·m；Pe表示额定功率，kW；ne表示额定转速，r/min。由此算出驱动电机的额定扭矩为109.8 N·m，峰值扭矩为143.25 N·m。峰值扭矩不仅需要满足车辆低速加速性能和爬坡能力要求，而且应具有一定的后备扭矩，即峰值扭矩应大于实际需求扭矩，初步设定峰值扭矩为240 N·m。电动机各参数匹配结果如表2所示。

表2 电动机参数匹配结果

2.2 传动系统参数选择

2.2.1 最大传动比

该参数取决于驱动电机的最高转速、汽车最高车速以及驱动轮半径，计算公式为：

计算得imax=7.66。

2.2.2 最小传动比

由最大爬坡度对应的行驶阻力和驱动电动机最大输出转矩Timax确定传动比。

计算得imin=3.68。最终选i=5。

2.3 电池参数选择

本文选取镍钴锰三元锂电池。该电池寿命长，节能环保无污染，维护成本低，充放电彻底，重量轻。该电池电压为3.6 V，标称电压3.7 V，电池典型工作范围为3.0～4.2 V或更高。

电池组数目的选取须满足电动汽车行驶时所需的最大功率和续航里程的要求[5]。电池的最大输出功率为：

式中，E为单体电池的电动势，取镍钴锰三元锂电池的电动势为3.6 V，R为单体电池内阻，取0.005 Ω。将上述数据代入式（11）可得其最大输出功率为0.648 kW。

因此，满足电动汽车行驶时所需的最大功率要求的电池组数目为：

式中，pemax为电动机的峰值功率（kW），根据2.1.1的相关内容可知，峰值功率为180 kW；ηe为电动机的工作效率，取94%；ηec为电动机控制器的工作效率，取96%；N为单电池组所包含的电池的数目，取35。将上述数据代入式（12）计算得到ηp约为9。

满足电动车续驶里程要求的电池组数目为：

式中，L为续驶里程（km），此处取160 km；Cs为单节电池的容量；Vs为单节电压电动势，取3.6 V；W为电动汽车行驶1 km所消耗的能量（kW）。

最终确定的电池组数目为：

电动汽车行驶一公里所消耗的能量为：

式中，Pn为电动汽车以常规车速行驶所需的功率（kW），可通过式（2）计算得出，为40.28 kW；Pa为电动汽车附件消耗的功率，附件消耗的能量约占电池组总能量的 15%；vn为常规车速，取40 km/h。

电池组能量为：

式中，ηmc为电动机效率，取95%；ηdis为电池放电效率，取 93%；ηa为汽车附件能量消耗比例系数，取 15%；DOD为电池放电深度，取80%。

最终确定的电动 SUV汽车动力电池的参数匹配结果如表3所示。

表3 动力电池参数匹配结果

3 仿真结果与分析

本文在NEDC工况下进行电动SUV汽车的模拟仿真分析。NEDC是欧洲的续航测试标准，国内工业和信息化部在对纯电动车的综合里程进行测试时，采用的就是NEDC测试标准。

3.1 汽车整车动力性仿真结果与分析

3.1.1 最高车速仿真结果与分析

图2为该车从0到170km/h的加速时间，可以看出，汽车最高车速为168 km/h，超过了计算参数理论值150 km/h。因此，最高车速符合要求。

图2 0到170 km/h加速时间

图3 50 km/h到80 km/h加速时间

3.1.2 加速性能仿真结果与分析

根据GB/T 28382-2012纯电动乘用车中汽车加速性能实验要求，加速性能包括0～50km/h和50～80km/h的加速性能，其加速时间分别不超过10s和15s。从图2和表5可以看出，车速为0～50km/h的加速时间为4.34s，从图3和表5可以看出，汽车50～80km/h的加速时间为4.22s。因此，加速性能符合要求。

表4 电动SUV汽车车速仿真主要数据

3.1.3 爬坡性能仿真结果与分析

根据GB/T 28382-2012纯电动乘用车中汽车爬坡性能实验要求，爬坡性能包括爬坡速度和车辆最大爬坡度，即车辆通过4%坡度的爬坡车速不低于60km/h，车辆通过12%坡度的爬坡车速不低于30km/h，车辆最大爬坡度不低于20%。从图4中可以看出，爬坡性能仿真结果符合要求。

图4 爬坡度仿真结果

3.2 汽车整车经济性仿真结果与分析

从电动汽车的续驶里程和能量消耗率进行经济型分析。能量消耗率可通过电池SOC值反映。图5和图6分别为电动SUV汽车续驶里程和电池SOC值的仿真结果。从图5可以看出，电动 SUV汽车的续驶里程接近 180km，远超计算时所设定的160 km，因此该电动汽车续驶里程符合要求。从图6可以看出，电动汽车电池的SOC值随时间的变化趋势并非急剧下降，而是呈近似线性递减趋势，从侧面也反映出电动汽车能量消耗呈线性递减趋势，递减斜率大概为0.0047，具有较好的经济性。