基于Cruise 电动车整车性能参数匹配及仿真分析
冯红晶
【摘 要】The power matching of the electric motor,battery and transmission ratio is designed according to the vehicle parameters and the vehicle performance indicators.The vehicle simulation model,the electric motor and the battery model were built for analyzing the power performance and the economy performance based on the Cruise simulation software.Results show that the maximum velocity,the acceleration time of the 0-75m and the 0-80km/h,and the driving range act well with the design specification.Lastly,real vehicle test about the power performance and the economy performance were carried out on the car and the results were basically consistent with the simulation results.This further demonstrated the validity of the power system design based on Cruise simulation software.%根据整车参数和整车性能指标对电动车的电机、电池以及传动比进行动力匹配设计,利用Cruise仿真软件建立整车模型、电机以及电池模型,对其动力性和经济性进行仿真分析.由仿真结果可知,最高车速、0～75 m加速时间、0～ 80 km/h加速时间以及续驶里程均符合初步设计要求.对电动车的动力性及经济性进行
道路试验,对比道路试验与仿真分析的结果,发现道路试验所测数据与仿真结果基本符合,验证了基于Cruise的整车性能参数匹配的合理性和所建模型的准确性.
【期刊名称】《西华大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(036)003
【总页数】7页(P16-22)
【关键词】电动车;动力匹配;整车模型;仿真分析;动力性;经济性;道路试验
【作 者】冯红晶
【作者单位】北京新能源汽车股份有限公司,北京102606
【正文语种】中 文
【中图分类】U462.3+1;U462.3+4
电动汽车(EV)是21世纪清洁、高效和可持续发展的交通工具，是一种电力驱动的道路交通工
具。电动汽车这个概念的内涵很广泛，它包括蓄电池、锂电池纯电动汽车(BEV)、混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池电动前后侧(FCEV)，涉及很多学科，内容广泛而且复杂，其核心技术包括底盘和车身技术、驱动技术和能源技术[1]，纯电动汽车是以整车控制系统、电机及其控制系统和电池及其管理系统的控制系统技术平台。
动力性、经济性是评价车辆性能的重要指标，二者通常是经过不断的台架试验与道路试验获得。电动汽车的动力性和经济性取决于动力系统与电机是否匹配吻合[2]；因此，为减少研发周期，常通过仿真的方法来根据车辆所需动力性与经济性要求来初步确定电动车各个部件，进而通过实车试验进行优化。
1.1 纯电动汽车结构原理
电动汽车主要由电机驱动控制系统、电源子系统和辅助子系统3部分组成。其中电机驱动控制系统则为电动汽车核心技术，其中又分为电力驱动系统和控制系统。该控制系统根据踏板的电信号、驱动模式(经济模式、运动模式、一般模式、故障模式)信号向电机控制器发出控制指令，对电动机的转矩和转速进行控制(起动、加速、刹车制动)[3]。电源子系统为电动汽车提供能量，确保其续驶里程[4]。辅助子系统与传统燃油车工作原理类似。图1为纯电动汽
车的结构原理简图。
1.2 纯电动汽车主要性能评价指标
纯电动汽车的性能评价与传统车类似，根据GB/T 18385—2005将最高车速、加速时间以及爬坡度作为动力性评价指标，根据GB/T 18386—2005将能耗消耗率和续驶里程作为经济性评价指标[5-6]。续驶里程是指在汽车充满电的情况下汽车所能行驶的距离。国家标准中规定续驶里程的测试有60 km/h等速测量和循环工况下测量，工况测量采用欧盟的NEDC(New Europe Driving Cycle )工况。
2.1 整车参数及性能指标
2.1.1 整车参数
本文所设计完成的纯电动方程式赛车，主要用于实现纯电动汽车在行驶过程中的动力性与经济性分析，该纯电动方程式赛车的整车基本参数如表1所示。
2.1.2 整车性能指标
为了满足该纯电动方程式赛车在比赛过程中获得更好的行驶特性，同时基于国内外方程式赛车对汽车动力性及经济性的基本要求，初步设定该纯电动汽车的动力性及经济性指标及要求如表2所示。
2.2 动力系统参数匹配与结果分析
电动车电机2.2.1 电机功率的选择
纯电动方程式赛车电机功率的选择需要同时满足对最高车速、加速能力和爬坡能力的要求[7]。该纯电动方程式赛车所选用的电机为永磁同步电机，其主要参数分别包括电机峰值功率与额定功率、电机峰值转速与额定转速、电机峰值转矩与额定转矩。首先根据该方程式赛车的最高车速、加速时间、爬坡能力的需求初步确定电机功率与转速，进而根据电机功率与转速确定电机转矩。
1)最高车速下行驶时的功率需求。
纯电动方程式赛车最高车速是指在一段时间内电动汽车持续正常运行的最高车速。在最高车速下行驶时，只考虑摩擦阻力及空气阻力功率[8]，其计算公式[9]如下：
式中：Pvmax为最高车速下行驶时的功率；vmax为最高车速；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A 为迎风面积；ηt为传动效率。
将表1、表2中的整车参数及性能指标带入式(1)得到Pvmax=12.1 kW。
2)加速时间所决定的功率需求。
加速时需要克服的阻力功率分别包括加速阻力、滚动阻力及空气阻力功率。根据表2中的性能要求，赛车要求在0～75 m的加速时间小于5 s，基于此，必须采用较大功率才可满足比赛过程中的加速能力，因此，采用能量守恒的方法来计算加速过程中的电机平均功率，如下式所示：
式中：Pj为电机平均功率；t为加速时间；vm为加速末速度。
同理，将表1、表2中的整车参数及性能指标带入式(2)得到Pj=35.3 kW。电机峰值功率的选取大于电机平均功率即可。
3)最大爬坡能力所决定的功率需求。
比赛时的最大爬坡为5%，而爬坡时需要克服的阻力功率分别包括爬坡阻力、滚动阻力及空气阻力功率，其计算过程如下式所示：
式中：Pαmax为克服最大爬坡5%所对应的功率需求；αmax为坡度；vmin为稳定爬坡速度，此处选vmin=20 km/h。
同理，将表1、表2中的整车参数及性能指标带入式(3)得到Pαmax=3.03 kW。
为了满足整车动力性能要求的同时使车辆具备一定的后备功率，驱动电机的峰值功率Pemax必须满足最高车速时的阻力功率Pvmax、加速时间所决定的功率Pj以及最大爬坡度时的功率Pαmax要求。同时，比赛时全程平均车速处于 55 km/h 左右，对应的平均功率在 15 kW 左右，为保证电机工作在高效率区，其额定功率Pb可选在 15～20 kW 之间。
2.2.2 电机转速及转矩的选择
1)电机峰值转速与转矩的选择。
电机的峰值转速决定了电动汽车的最高车速，由表2可知，该纯电动方程式赛车最高车速指
标为100 km/h，因此由下式可计算得到电机峰值转速nmax，进而根据电机峰值功率Pemax及峰值转速nmax确定电机峰值转矩Tmax。
2)电机额定转速与转矩的选择。
额定转速一般选取汽车的常用车速，一般会选择55 km/h，同时根据后续传动比的确定，由下式可计算得到电机额定转速nb，进而根据电机额定功率Pb及额定转速nb确定电机额定转矩Tb。
2.2.3 传动比的选择
1)最大传动比的选择。
最大传动比的选择要满足以下4种工况：满足汽车的最大爬坡度；满足汽车的最低稳定车速；满足汽车加速时间的要求；满足汽车的附着条件Fxmax≤Fφ。因此，为满足爬坡度、电动机最高转速下输出转矩和其对应的汽车行驶阻力的关系以及汽车驱动平衡条件对大传动比的要求，最大传动比的确定如下式所示。
式中：Ttqmax为电机最大输出转矩；Fnmax为最高车速下的行驶阻力；Tnmax为最高车速下的电机转矩；Fz为路面支撑力；φ为路面附着系数。由式(8)—(10)确定的最大传动比imax=5.7。