基于Cruise的纯电动汽车参数匹配及仿真

胡红顶，姚胜华，高进

（湖北汽车工业学院 汽车工程学院，湖北 十堰442002）

目前纯电动汽车已经成为国内外各大汽车公司研究和开发的热点。海外市场以美国特斯拉、日本丰田、德国宝马为代表的汽车制造巨头纷纷抢占纯电动汽车开发专利，并逐步扩展全球市场布局。国内市场以蔚来、小鹏、理想汽车为主的造车新势力相继推出以电力驱动为主的新能源车型，呈现出百家争鸣的局面。为了缩短纯电动汽车的开发周期，在原燃油车型上改装成为重要的解决方案。文中在原MPV 车型上重新布局纯电动汽车相关总成，并借助Cruise 对匹配后的车辆进行动力性、经济性仿真分析，从而验证选型、匹配方案的可行性。

1 纯电动汽车系统构成

原型车MPV 为发动机中置后驱的总布置方式，改装后的纯电动汽车主要包括驱动电机、OBC车载充电机、DC/DC转换器、PDU高压配电盒、动力电池组、减速器后桥总成等如图1 所示，其中电机控制器、车载充电机、DC/DC转换器、高压配电盒布置于原发动机舱，驱动电机位于后桥前方，动力电池组在底盘中部。为了减少开发成本，该纯电动车型采用机械传动，即保留了原车辆后桥，考虑到车辆的爬坡度因素，在原后桥减速器的基础上增加单速比减速器，使得后桥总成速比提高，达到减速增扭、提升爬坡性能的目的。

图1 纯电动汽车结构图

2 纯电动汽车参数及性能指标

2.1 纯电动整车结构参数

基于某款MPV 车型改制纯电动汽车，为了控制成本，缩短周期，尽快实现量产，纯电动汽车的结构参数和原车型保持一致，主要包括外形尺寸、轴距、轮距等。整车基本参数如表1所示。

表1 纯电动整车基本参数

2.2 纯电动整车性能指标

纯电动汽车性能指标主要指动力性和经济性。动力性主要以最高车速、加速时间、最大爬坡度作为评价指标；经济性主要以续航里程作为评价指标。最高车速方面，GB/T28382—2012 中指出30 min最高车速不低于80 km·h-1［1］；同时考虑到上海的上市情况，车辆还需满足DB31/T634—2012，纯电动汽车30 min 最高车速不低于100 km·h-1［2］。文中纯电动汽车定位“物流用、家庭用、商务用”的城市多功能车，平均车速相对较低，同时对比对标车型车速，最终最高车速设定不小于100 km·h⁻¹。加速性能方面，DB31/T634—2012中指出纯电动汽车0～50 km·h-1加速时间不大于6 s［2］；0～100 km·h-1加速时间则参照对标车公告数据设定不大于17 s。爬坡度方面，GB/T28382—2012中指出车辆最大爬坡度不低于20%［1］。考虑到车辆以拉货为主以及特殊路况，同时对比竞品车型爬坡度参数，该纯电动车辆最大爬坡度设定不低于30%。续航里程方面，根据“2020年新能源汽车推广补贴方案及产品技术要求”［3］，纯电动乘用车NEDC 续航里程不低于300 km，按文中汽车整备质量计算，百公里耗电量应小于16.085 kW·h。同时对比竞品车型参数，纯电动车辆续航力里程设定为300 km。综合上述设定目标值以及对标车型参数，电动汽车整车性能参数如表2所示。

表2 纯电动整车性能指标

3 纯电动汽车动力参数选配计算

3.1 驱动电机类型的选择

根据市场调研，目前纯电动乘用车采用的主流电机类型有无刷直流电机、永磁同步电机和交流异步电机，具体性能和价格归纳如表3所示。目前无刷直流电机、永磁同步电机、交流异步电机技术已经成熟。交流异步电机、永磁同步电机在结构稳定性、寿命等方面优于直流电机。直流电机、交流异步电机相对成本较低，永磁同步电机则较高。在符合电动车减重的情况下，永磁同步电机相对最适用。在材料资源方面，由于稀土资源问题，亚洲地区主要开发永磁同步电机，而交流异步电机主要为欧洲市场采用。相比其他2种电机，永磁同步电机具有以下优点：外形尺寸小、质量轻，便于布置；具有较高的功率密度和转矩密度，相同质量与体积下能够提供更大的动力输出和加速度；调速范围宽，结构简单。综合上述分析及对标车型电机选用情况，选择永磁同步电机作为纯电动车驱动电机。

表3 驱动电机性能价格对比表

3.2 驱动电机参数的匹配计算

3.2.1 电机额定功率

电机额定功率是指长时间稳定运行功率。额定功率选择过小，电机长时间过载运行，缩短了使用寿命；功率选择过大，成本增加，且电机经常欠载运行，使用效率较低［4］。假设车辆匀速行驶在水平路面上，不计上坡阻力和加速阻力［4］，设定目标最高车速100 km·h-1为稳态来计算额定功率Pe：

式中：ηe为电机效率，取平均值0.9；M为汽车满载总质量；g 为重力加速度；f为滚动阻力系数，取值0.012；cd为风阻系数；A为迎风面积；vmax为持续行驶最高车速。通过计算得Pe为26 kW。

3.2.2 电机峰值功率

1）最高车速时所需功率 最高车速时坡度为

0°，此时只有滚动阻力和空气阻力，没有上坡阻力和加速阻力［4］，则

式中：vmax取100 km·h-1。计算得Pvmax为26 kW。

2）最大爬坡度时所需功率 最大爬坡度时所需功率为Pimax，考虑汽车以10 km·h⁻¹匀速爬30%即16.7°坡度，只有滚动阻力、空气阻力和上坡阻力，没有加速阻力［5］，则

式中：α为最大爬坡度，取16.7°；vi为爬坡时的车速。通过计算得Pimax为33.6 kW。

3）原地起步加速时间所需功率 原地起步加速时，行驶中的阻力包括加速阻力、滚动阻力、坡道阻力。根据表2 中0～100 km·h-1加速时间小于17 s，所需功率不按照匀加速处理［4］，经验公式为

式中：ta为加速时间，取17 s；va为加速终止速度；δ为汽车旋转质量转换系数，取1.1。通过计算可得Pj为63 kW。

驱动电机的峰值功率应取3种功率的最大值，即Pmax取63 kW。

3.2.3 电机额定转速

驱动电机转速分为低速、中速和高速，低速为3000～6000 r·min-1，中速为6000～10000 r·min-1，高速为10000～15000 r·min-1。低速电机转动惯量大、启停慢，速度调节范围有限，恒转矩恒功率区域较窄，一般为城市客车所选用。高速电机动力性好，但成本较高，一般应用于高档SUV 或轿车等。文中纯电动汽车用于城市货运，设计最高车速为100 km·h-1，综合考虑电机性能及成本，选用最高转速9000 r·min-1中速电机。

由电机外特性可知，电机在额定转速以下恒转矩运行，额定转速以上恒功率运行。恒转矩区功率随着转速增加而线性增加，恒功率区则转矩随转速增加呈双曲线下降［5］，如图2 所示，nb为额定转速，nmax为最高转速。起步阶段即低转速时得到恒定的最大转矩Tmax，同时在高转速时得到恒定的较高功率Wb。电机扩大恒功率区系数β为

图2 驱动电机扭矩转矩特性图

式中：nmax取值为9000 r·min-1。β取值过小则汽车加速性和爬坡能力差；增大β值，可使电机在恒转矩区获得较大转矩，提高汽车加速和爬坡性能，但会导致电机工作电流以及逆变器的功率损耗和尺寸增大。因此β一般取值2～3，驱动电机额定转速为3000～4500 r·min⁻¹，结合实际参数，最终确定30 kW-230 V电机额定转速为3600 r·min-1。

3.2.4 电机额定转矩/峰值转矩

根据电机额定转速，驱动电机额定转矩［6］为

计算可得Tb为68.97 N·m，则电机峰值转矩为

计算得Tmax为167.1 N·m，实际Tmax达到200 N·m。

参考上述理论计算结果，结合实际电机参数，最终确定电机基本参数如表4所示。

表4 驱动电机基本参数表

3.3 传动系传动比的匹配计算

最大传动比按10 km·h-1匀速爬30%坡度时的最大驱动力和行驶阻力来计算［7］：

计算可得最小传动比不小于10.7。

结合前期车型开发经验和现有产品速比，传动比分别取9.5、10.5、11.5。

3.4 动力电池类型的选择

目前市场上纯电动乘用车普遍采用锂电池，而锂电池主要有三元锂电池、磷酸铁锂电池和锰酸锂电池，其性能及价格如表5所示。电动汽车的动力电池要求密度高、可靠性高和循环使用寿命长。从可靠性（失效率）、循环次数和企业最为关注的成本来看，磷酸铁锂电池更具优势。综上所述，文中纯电动汽车选择磷酸铁锂电池作为动力电池。

表5 动力电池的基本性能参数表

3.5 动力电池参数的匹配计算

根据GB/T31466—2015［7］，参照纯电动车主流车型高压电压等级，动力电池的额定电压取346V。

纯电动汽车一般按照匀速法来确定电池组容量，即汽车匀速行驶所能达到的最大距离。车辆匀速行驶时所需要的总功率［5］为

车辆等速行驶距离L所需要的能量为

式中：W为车辆所需能量；L为最大行驶距离，取300 km；v为匀速行驶速度，取60 km·h⁻¹。计算得Pv为8.65 kW·h，W为43.25 kW·h，因此额定容量为125 A·h。综合上述结果和实际情况确定电池系统技术方案如表6所示。

表6 电池系统技术要求

4 整车模型搭建及仿真分析

4.1 整车模型的搭建

基于仿真软件Cruise完成整车模型的搭建，如图3所示。根据车型中置后驱布置方式加载整车、电机、电池、车轮、减速器等模块，并填写相应参数，在各模块之间添加相应的机械、电气信号连接。

图3 整车模型搭建图

4.2 不同速比下的对比分析

将3 种速比分别在Cruise 中进行动力性、经济性仿真，将结果进行对比，具体如表7所示。

表7 3种速比下仿真结果

由表7 可看出，总速比为9.5 时最大爬坡度为28.06%，总速比为11.5时最高车速为93 km·h-1，均无法满足设计要求。所以选择总速比10.5 为最优方案，并对仿真结果进行分析。

4.3 最优速比的仿真结果分析

4.3.1 动力性仿真结果分析

1）最高车速 通过查看Result Manager中summary 结果，最高车速仿真结果如表8 所示，汽车最大车速为102 km·h-1，满足设定目标。

表8 最高车速仿真数据

2）加速时间 通过查看Full Load Acceleration的加速性能仿真数据，速度分别为0～50 km·h-1、50～80 km·h-1、0～100 km·h-1对应仿真数据如表9～11 所示。汽车从0 km·h-1加速到50 km·h-1用时4.64 s，从50 km·h-1加速到80 km·h-1用时5.34 s，从0 km·h-1加速到100 km·h-1用时15.32 s，三者均满足设定目标。在峰值功率计算时，最终计算选取原地起步（0～100 km·h-1）加速时间所需最大功率作为峰值功率，如图4 所示。车辆原地起步加速至33 km·h-1时电机功率出现峰值，整个峰值维持时间约12.8 s，加速至100 km·h⁻¹用时约15 s，此时电机功率处于峰值功率末端。随着速度的提高，电机功率曲线呈现急速下降趋势，符合电机外特性。

表9 0～50 km·h-1加速性能仿真数据

表10 50～80 km·h-1加速性能仿真数据

表11 0～100 km·h-1加速性能仿真数据

图4 0～100 km·h-1加速与电机功率仿真结果

3）最大爬坡度 通过Climbing Performance 查看车辆爬坡性能，随着车速的增加车辆爬坡度逐渐降低，车速保持1 km·h-1时，爬坡度达到最大值31.32%，满足设定目标，如图5所示。图5中，速度保持10 km·h-1时，最大爬坡度为30.9%，电机功率为18 kW，此时电机处于恒转矩区域，最大输出转矩为200 N·m。

图5 整车爬坡性能与电机功率/扭矩仿真结果

4.3.2 经济性仿真结果分析

纯电动汽车经济性测试采用GB/T18386—2017 中NEDC 标准循环工况，每个NEDC 工况由ECE+EUDC 组成，全程工况运行时间为19.6 min，总行程为11.007 km［8］。实验中纯电动汽车在1 个NEDC 工况下的运行情况如图6a 所示。第1 个NEDC 循环工况总运行时间为1179 s，总行程为10851 m，SOC值由100%下降到96%，百公里耗电量为13.43 kW·h。

设置初始电量100%，放电深度95%，整个仿真约完成了31个NEDC 循环工况。续航里程达到296 km，接近设定目标，百公里耗电量13.42 kW·h，小于技术要求16.085 kW·h［3］，如图6b所示。

图6 车速、SOC和行驶里程变化图

经济性仿真结果表明，匹配方案较合理，可以为样车的前期开发和实车试制提供参考。文中计算电池组容量时，电池组排布空间已最大化利用，无法通过增加电池容量来提升续航能力；但可从整车轻量化、电机效率提升以及制定合理的整车控制策略（如电机驱动控制策略、BMS 电池管理系统优化、制动能量回收控制策略）等方面去优化，使其满足整车续航里程要求。

5 结论

通过对纯电动MPV 各参数进行匹配计算，并利用Cruise 对驱动系统的电机、电池组和3种后桥速比进行仿真验证，结果表明该车辆在最优速比下动力性、经济性仿真指标均满足设计目标要求，说明车辆的匹配是合理的。由于缺少实车试验数据对比，文中基于Cruise的仿真分析旨在指导车型前期匹配选型以及输出相关参考数据、曲线，为整个项目节点节约开发时间。