基于CRUISE的純電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配設(shè)計(jì)及仿真

《基于CRUISE的純電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配設(shè)計(jì)及仿真》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《基于CRUISE的純電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配設(shè)計(jì)及仿真（6頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、基于CRUISE的純電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配設(shè)計(jì)及仿真 摘要：純電動(dòng)汽車是目前研究和開發(fā)的熱點(diǎn)，而動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)是純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)。本文針對某款純電動(dòng)汽車，進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)。按照整車性能要求，依據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，對車輛電機(jī)、電池、主減速比等動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)及匹配計(jì)算，利用AVLCRUISE軟件，建立目標(biāo)車輛的整車模型，并用Simulink搭建制動(dòng)能量回收模型，結(jié)合NEDC和FTP75兩種典型工況進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真試驗(yàn)結(jié)果說明，本文所設(shè)計(jì)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)和制動(dòng)能量回收控制策略能夠滿足目標(biāo)車輛的性能要求，可以有效提高車輛的動(dòng)力學(xué)性能，增加車輛的續(xù)駛里程，提高電池的壽命。本文

2、研究內(nèi)容可以為純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制策略的研究提供參考。 關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;動(dòng)力系統(tǒng);CRUISE仿真;制動(dòng)能量回收 中圖分類號(hào)：U463.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1006-8023〔2021〕01-0080-07 Abstract：Pureelectricvehiclesarethehotspotofcurrentresearchanddevelopment，andthepowertrainparametermatchingdesignisthekeytechnologyofpureelectricvehicles.Inthispaper，apowertrainpara

3、metermatchingdesignisappliedtoapureelectricvehicle.Accordingtotheperformancerequirementsofthevehicleandthedynamicprinciple，thedesignandmatchingcalculationofthevehiclesmotor，battery，mainreductionratioandotherdynamicparametersarecarriedout.TheAVLCRUISEsoftwareisusedtoestablishthevehiclemodelofthetarge

4、tvehicle，andthebrakingenergyrecoverymodelisbuiltwithSimulink.Combinedwithtwotypicalworkingconditions，NEDCandFTP75，thejointsimulationiscarriedout.Thesimulationresultsshowthatthepowertrainparametersandbrakingenergyrecoverycontrolstrategydesignedinthispapercanmeettheperformancerequirementsofthetargetve

5、hicle，whichcaneffectivelyimprovethedynamicperformanceofthevehicle，increasethedrivingrangeofthevehicleandimprovethebatterylife.Theresearchcontentofthispapercanprovidereferencefortheresearchofdesignandcontrolstrategyofpureelectricvehiclepowertrain. Keywords：Pureelectricvehicle;powertrainsystem;CUISEs

6、imulation;brakeenergyrecovery 0引言 隨著能源危機(jī)的加劇，新能源汽車逐漸成為主角，已經(jīng)成為今后的開展方向。就當(dāng)前汽車行業(yè)的開展水平來看，新能源汽車主要包括燃料電池汽車、混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車。其中純電動(dòng)汽車零排放的優(yōu)點(diǎn)非常突出，可以有效的緩解保護(hù)環(huán)境的壓力。在純電動(dòng)汽車的研發(fā)過程中，應(yīng)用AVL公司開發(fā)的CRUISE軟件進(jìn)行動(dòng)力參數(shù)仿真分析，可以有效地減少研發(fā)周期。 目前，國內(nèi)外大多數(shù)車企在實(shí)際生產(chǎn)之前都進(jìn)行多系統(tǒng)參數(shù)匹配的仿真優(yōu)化分析，并結(jié)合市場以及產(chǎn)品需要，對其動(dòng)力總成以及整車控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化【1】。杜發(fā)榮等研究純電動(dòng)汽車匹配的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)與整

7、車質(zhì)量之間的關(guān)系以提高整車的續(xù)駛里程【2】;E.HallM等人以純電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)，通過優(yōu)化單檔減速器的傳動(dòng)比來提高電機(jī)運(yùn)行效率【3】;秦大同等匹配了搭載有兩檔自動(dòng)變速器的純電動(dòng)汽車，并以ECE循環(huán)工況整車能耗為優(yōu)化指標(biāo)，優(yōu)化兩擋變速器速比【4】;黃康等人以純電動(dòng)汽車能量利用率作為優(yōu)化目標(biāo)對變速器傳動(dòng)比進(jìn)行優(yōu)化【5】;LiangChen等人通過研究不同的循環(huán)工況來優(yōu)化電機(jī)參數(shù)，從而提高純電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性【6】。 本文利用CRUISE軟件構(gòu)建電機(jī)和主減速器的整車模型，選擇循環(huán)工況、全負(fù)荷工況和爬坡性能工況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)下的整車性能的仿真結(jié)果，進(jìn)行合理的分析與研究，為純

8、電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究和開展提供參考意見。 1純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配 純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、傳動(dòng)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)四局部組成。本文所用車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)布置形式，這種驅(qū)動(dòng)形式采用固定速比的減速器，通過較少的傳動(dòng)零件來傳遞轉(zhuǎn)矩，具有良好的互換性，減小了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸和重量，而且沒有檔位的切換，可以更好的對驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制[7-8]。整車根本性能及設(shè)計(jì)要求見表1。 電機(jī)的功率匹配和選擇主要是對額定功率和峰值功率進(jìn)行選擇。本文從最高車速、最大爬坡度及最大加速度三方面對驅(qū)動(dòng)電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行確定。其中最高車速由額定功率決定，加速性能和爬坡能力由峰值功率決定[9]。

9、額定功率一般小于峰值功率的1/3。 〔1〕最高車速下行駛的功率要求 純電動(dòng)汽車最高車速是指在一段時(shí)間內(nèi)電動(dòng)汽車持續(xù)正常運(yùn)行的最高車速。在最高車速下只需考慮摩擦阻力和空氣阻力，最高車速下電機(jī)的最高功率為： 將純電動(dòng)汽車的整車參數(shù)帶入公式〔1〕中，當(dāng)最高車速120km/h時(shí)〔ηt=90%〕，所需的最大功率為23kW。 〔2〕最大爬坡能力所決定的功率需求 該純電動(dòng)車的最大爬坡度的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以大于20km/h的速度通過30%的坡道道路，而爬坡時(shí)需要克服的阻力分別有滾動(dòng)阻力、爬坡阻力和空氣阻力。其計(jì)算過程為： 式中：Pαmax為克服最大的爬坡度30%所對應(yīng)的功率要求;αmax為坡度，%;Vm

10、in為穩(wěn)定爬坡速度，km/h。 同理將整車參數(shù)及性能指標(biāo)帶入公式〔2〕中，通過計(jì)算得到，以大于20km/h的速度通過30%的坡道的道路時(shí)，需要的電機(jī)功率為27kW。 〔3〕加速時(shí)間所需的功率需求 加速時(shí)需要克服的阻力分別包括加速阻力、滾動(dòng)阻力和坡度阻力。根據(jù)表1的設(shè)計(jì)目標(biāo)，該純電動(dòng)車從0km/h加速到80km/h所需時(shí)間小于10s，從80km/h加速到120km/h所需時(shí)間小于10s。需要克服阻力的總效率為： 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可得： 將整車的參數(shù)帶入公式〔3〕中，得出從0km/h加速到80km/h所需的功率為24kW，從80km/h加速到120km/h所需的功率為44kW。 根據(jù)整車性

11、能設(shè)計(jì)目標(biāo)算出滿足以上動(dòng)力性要求的電機(jī)功率，那么電機(jī)峰值功率取最大值，即： 為了滿足整車性能，同時(shí)考慮到純電動(dòng)車其他電子附件所需要的功率后，取電機(jī)的峰值功率為50kW。 〔4〕電機(jī)額定功率及轉(zhuǎn)速的選擇 電機(jī)額定功率確實(shí)定通常依據(jù)峰值功率與電機(jī)的過載系數(shù)的函數(shù)關(guān)系來確定[11-13]，電機(jī)的過載系數(shù)取值范圍1.5～2，計(jì)算出額定電機(jī)的上下限功率分別是25kW和33kW。綜合考慮其他電子附件對功率的需求和電機(jī)廠商的生產(chǎn)能力，本文將額定功率定為35kW。 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速影響著電機(jī)的主要性能，根據(jù)本文純電動(dòng)汽車的三種動(dòng)力性能對電機(jī)動(dòng)率的需求，以及市場生產(chǎn)該功率下相匹配的電機(jī)轉(zhuǎn)速，為了滿足最高車速

12、120km/h的要求，決定選用6000r/min的電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速n峰和額定轉(zhuǎn)速n額的關(guān)系公式為： 式中：β為電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)〔一般取2～3〕[14]。 因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速應(yīng)在2000～3000r/min。根據(jù)實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)生產(chǎn)的型號(hào)，將額定轉(zhuǎn)速確定為3000r/min。根據(jù)電機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速可以根據(jù)公式〔8〕求得額定轉(zhuǎn)矩： 將參數(shù)帶入公式中〔8〕，求得額定轉(zhuǎn)矩為111Nm，因?yàn)殡姍C(jī)具有一定的過載能力，由前面提到的過載系數(shù)，可以求得峰值轉(zhuǎn)矩為200Nm。 根據(jù)上述所求得的參數(shù)，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行匯總，見表2。 動(dòng)力電池要滿足電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的動(dòng)力性能

13、，在選取動(dòng)力電池組時(shí)應(yīng)考慮其多種參考指標(biāo)，例如：比功率、比能量、能量效率、自放電水平和循環(huán)壽命等，這些參考指標(biāo)都關(guān)系電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[15]。根據(jù)上述對電池特性分析，和對各種類型電池的性能比照綜合考慮，本文選用高效率和良好性價(jià)比的鋰離子電池作為動(dòng)力電池。 動(dòng)力電池組的電壓要與電機(jī)的電壓需求相匹配，并且要滿足電機(jī)對電壓變化的要求。確定為380V。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，以60km/h勻速行駛100km的續(xù)航里程要求對動(dòng)力電池參數(shù)進(jìn)行匹配。純電動(dòng)車勻速行駛時(shí)需求的功率為： 純電動(dòng)汽車汽車的傳動(dòng)速比關(guān)系到動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，因此傳動(dòng)速比的選定尤為重要。傳動(dòng)速比的匹配的主要是變速器和主減速器速比確實(shí)

14、定。汽車傳動(dòng)系速比的選擇受到整車的動(dòng)力性能的影響，一方面?zhèn)鲃?dòng)系速比的最小值決定權(quán)在于汽車整車的最高車速，另一方面?zhèn)鲃?dòng)系速比的最大值也受到整車的最大爬坡度的影響[16-17]。 根據(jù)純電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性和最高車速、最高轉(zhuǎn)速來確定最小傳動(dòng)比，見公式〔14〕： 最大傳動(dòng)比主要取決于最大爬坡度，因此和最大爬坡度、附著率、汽車最低穩(wěn)定車速等因素有很大關(guān)系。爬坡時(shí)的空氣阻力不計(jì)，純電動(dòng)汽車汽車的最大驅(qū)動(dòng)力為： 目前純電動(dòng)汽車產(chǎn)品，特別是小型汽車通常采取固定速比的一檔減速器與主減速器配合，起到減速增距作用，所以本文采用一檔變速器，用最高車速確定主減速器的傳動(dòng)比為，即為固定速比的主減速器。

15、2整車仿真結(jié)果分析 根據(jù)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)布置形式以及相關(guān)性能要求，在CRUISE軟件中搭建整車模型?；赟imulink搭建制動(dòng)能量回收控制策略模型。制動(dòng)能量回收主要是通過駕駛員發(fā)送的制動(dòng)踏板和加速踏板的信息，結(jié)合的汽車的電機(jī)電池工作狀態(tài)，當(dāng)滿足制動(dòng)能量回饋條件時(shí)，將能量回收到電池中。 基于CRUISE中搭建的整車模型，與Simulink中搭建的制動(dòng)能量回收模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，在多種工況下進(jìn)行模擬仿真。其中仿真結(jié)果見表3， 0～80km/h加速過程;80～120km/h加速過程。 由上述可知，汽車動(dòng)力性仿真結(jié)果都滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。在0～80km/h加速時(shí)間為8.12s，80～120km/h加

16、速時(shí)間為7.23s，均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)在NEDC和FTP75循環(huán)工況下的工作曲線，紅色代表扭矩，紫色代表轉(zhuǎn)速，黑色代表功率。在NEDC循環(huán)工況中，電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍在0～6500rpm之間，扭矩范圍在-45～110Nm之間。當(dāng)?shù)竭_(dá)循環(huán)的最高車速時(shí)，電機(jī)功率同時(shí)也接近峰值功率，隨后進(jìn)入減速階段，又因SOC值小于0.95，電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)能量回收工作狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)提供制動(dòng)扭矩，產(chǎn)生負(fù)功率為電池充電。在FTP75循環(huán)工況中，電機(jī)大局部工作在1800～3600rpm的高效轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)。當(dāng)電池SOC值小于0.95，車輛處于減速階段時(shí)，此時(shí)電機(jī)提供再生制動(dòng)扭矩，將能量回收到電池中。 SOC值下降速

17、度與車速之間有一定關(guān)系。NEDC工況前半段車速低，SOC值下降較慢;后半段車速升高，SOC值下降速度快[18]。目標(biāo)車輛行駛平順性良好，SOC下降曲線穩(wěn)定，沒有明顯的突變。 在NEDC工況1030s之前，SOC沒有出現(xiàn)升高的情況，而在最后階段才上升，這是因?yàn)樵?130s之前盡管有很多減速停車的工況，但是SOC值大于0.95，沒有到達(dá)電機(jī)再生制動(dòng)給電池充電的條件，而當(dāng)SOC小于0.95后，減速停車過程中就可以利用電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)能量回收，因此SOC顯著上升。同樣，在FTP75工況340s之后，SOC才出現(xiàn)上升波動(dòng)的情況。但是從整體來看，SOC呈波動(dòng)下降的趨勢。兩種工況結(jié)束后，SOC值分別為0.81

18、48和0.8635。 3結(jié)論 〔1〕針對某電動(dòng)車，依據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，計(jì)算并設(shè)計(jì)了動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)各參數(shù)。 〔2〕利用CRUISE及Simulink搭建整車聯(lián)合仿真模型，對所設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)及制動(dòng)能量回收模型進(jìn)行仿真分析。 〔3〕仿真結(jié)果說明，所設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)滿足汽車動(dòng)力性能。比照分析了NEDC和FTP75兩種工況下電機(jī)工作過程與電池SOC變化曲線，所采取的制動(dòng)能量回收策略能使電池SOC下降速率減小，可以提高車輛續(xù)航里程。 【參考文獻(xiàn)】 【1】王慶年.曾小華.新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)[M].北京.化學(xué)工業(yè)出版社，2021. WANGQN，ZENGXH.Keytechnologiesofne

19、wenergyvehicles[M].Beijing：ChemicalIndustryPress，2021. 【2】杜發(fā)榮，吳志新.電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和續(xù)駛里程研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2021，37〔11〕：9-12. DUFR，WUZX.Studyonparameterdesignanddrivingrangeofelectricvehicletransmissionsystem[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalMachinery，2021，37〔11〕：9-12. 【3】HALLE，RAMAMURTHYSS，BA

20、LDAJC.Optimumspeedratioofinductionmotordrivesforelectricalvehiclepropulsion[C].AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition，2021：371-377. 【4】秦大同，周保華，胡明輝，等.兩擋電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，34〔1〕：1-6. QINDT，ZHOUBH，HUMH，etal.Parameterdesignoftwo-speedelectricvehiclepowertrainsystem[J].JournalofChon

21、gqingUniversity，2021，34〔1〕：1-6. 【5】黃康，羅時(shí)帥，王富雷.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)比優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國機(jī)械工程，2021，22〔5〕：625-629. HUANGK，LUOSS，WANGFL.Optimizationdesignoftransmissionratioofpureelectricvehiclepowersystem[J].ChinaMechanicalEngineering，2021，22〔5〕：625-629. 【6】CHENL，WANGJB，LAZARIP，etal.Optimizationsofapermanentmagnetmach

22、inetargetingdifferentdrivingcyclesforelectricvehicles[C].ElectricMachines&DrivesConference，2021：855-862. 【7】孟少華，申彩英.某款純電動(dòng)汽車動(dòng)力匹配與仿真[J].汽車工程師，2021〔11〕：22-24. MENGSH，SHENCY.Powermatchingandsimulationofapureelectricvehicle[J].AutomotiveEngineer，2021〔11〕：22-24. [8]楊國偉.電動(dòng)汽車傳動(dòng)系參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能仿真分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2

23、021. YANGGW.Parameteroptimizationdesignandperformancesimulationanalysisofelectricvehicledrivetrain[D].Chongqing：ChongqingUniversity，2021. [9]劉淋磊.基于CRUISE的客車動(dòng)力匹配與優(yōu)化分析[D].西安：西安理工大學(xué)，2021. LIULL.ThedynamicmatchingandoptimizationanalysisofpassengercarsbasedonCRUISE[D].Xian：XianUniversityofTechnology，2

24、021. [10]寇文龍.某純電動(dòng)轎車兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對動(dòng)力性能影響研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2021. KOUWL.Studyontheinfluenceoftwokindsofdrivesystemsofapureelectriccarondynamicperformance[D].Harbin：NortheastForestryUniversity，2021. [11]姜海斌，黃宏成.CRUISE純電動(dòng)車動(dòng)力性能仿真及優(yōu)化[J].機(jī)械與電子，2021〔4〕：61-65. JIANGHB，HUANGHC.Simulationandoptimizationofdynamicper

25、formanceofCRUISEpureelectricvehicle[J].Machinery&Electronics，2021〔4〕：61-65. [12]吳春玲.儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)力特性對電動(dòng)車性能影響的仿真研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué).2021. WUCL.Simulationstudyontheinfluenceofdynamiccharacteristicsofenergystoragesystemonelectricvehicleperformance[D].Harbin：HarbinInstituteofTechnology，2021. [13]熊明潔，胡國強(qiáng)，閔建平.純電

26、動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)選擇與匹配[J].汽車工程師，2021〔5〕：36-38. XIONGMJ，HUGQ，MINJP.Parameterselectionandmatchingofpowersystemforpureelectricvehicles[J].AutomotiveEngineer，2021〔5〕：36-38. [14]王立國.純電動(dòng)客車動(dòng)力總成控制策略研究[D].長春：吉林大學(xué)，2021. WANGLG.Studyonthecontrolstrategyofpureelectricbuspowertrain[D].Changchun：JilinUniversity，2021.

27、 方法研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2021. WANGB.StudyonSOConlineestimationmethodforautomotivelead-acidbatterybasedonbatterymodel[D].Hefei：HefeiUniversityofTechnology，2021. [16]馮紅晶.基于Cruise的電動(dòng)車整車性能參數(shù)匹配及仿真分析[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)〔自然科學(xué)版〕，2021，36〔3〕：16-22. FENGHJ.Critical-basedperformanceparametermatchingandsimulationanalysisofe

28、lectricvehicles[J].JournalofXihuaUniversity〔NaturalScienceEdition〕，2021，36〔3〕：16-22. [17]楊國偉.電動(dòng)汽車傳動(dòng)系參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能仿真分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2021. YANGGW.Parameteroptimizationdesignandperformancesimulationanalysisofelectricvehicledriveline[D].Chongqing：ChongqingUniversity，2021. [18]王帥鋒.插電式電動(dòng)汽車的控制策略研究與仿真分析[D].吉林大學(xué)，2021. WANGSF.Researchandsimulationanalysisofcontrolstrategyforplug-inelectricvehicles[D].Changchun：JilinUniversity，2021.