純電動(dòng)汽動(dòng)力總成系統(tǒng)選型匹配計(jì)算方法研究

作者：趙暢，朱春紅?

本文以某純電動(dòng)汽車(chē)作為研究對(duì)象，依據(jù)整車(chē)設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)其動(dòng)力總成系統(tǒng)進(jìn)行選型匹配，并利用Cruise軟件進(jìn)行整車(chē)仿真模型的建立及仿真分析，驗(yàn)證選型匹配方案的合理性。

1 動(dòng)力總成系統(tǒng)選型匹配計(jì)算?

純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力總成系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、傳動(dòng)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構(gòu)成。其動(dòng)力總成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖1所示。

為了對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)進(jìn)行選型及匹配，應(yīng)明確整車(chē)參數(shù)及所要求的性能指標(biāo)。整車(chē)參數(shù)及性能指標(biāo)如表1-2所示。

1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型計(jì)算

1.1.1最高轉(zhuǎn)速及基速

最高車(chē)速可由以下公式計(jì)算得出：

?（1）

圖1 純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

可得到電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為nmax=2274.04r/min；電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的關(guān)系可用擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β來(lái)表示，根據(jù)關(guān)系式可得電機(jī)的基速n0：

?（2）

因此，取最高轉(zhuǎn)速和基速分別為2500 r/min和780r/min。

表1 純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)參數(shù)

表2 整車(chē)性能指標(biāo)

1.1.2功率匹配

對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)峰值功率需求主要考量最高車(chē)速、某一車(chē)速下滿足最大爬坡度以及原地起步加速時(shí)分別對(duì)應(yīng)的峰值功率需求。

（1）當(dāng)車(chē)輛滿載且運(yùn)行在平坦路面時(shí)，計(jì)算其最高車(chē)速所對(duì)應(yīng)的電機(jī)峰值功率需求：

?（3）

式中：

Pm1——驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率需求（kW）；

vmax——最高車(chē)速（km/h）；

ηt——傳動(dòng)系統(tǒng)效率；

g——重力加速度，g=9.8 m/s2。

（2）在某一車(chē)速下滿足最大爬坡度要求時(shí)所需的功率：

?（4）

式中：

αmax——最大坡度角（°）；

vp——爬坡時(shí)的車(chē)速，這里取vp=20km/h。

（3）純電動(dòng)汽車(chē)在從0到50km/h時(shí)電機(jī)所需要的峰值功率可由公式（5）得到：

?（5）

式中：

v——加速過(guò)程中的實(shí)時(shí)車(chē)速；

δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)。

公式的第一二項(xiàng)分別代表純電動(dòng)汽車(chē)克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力時(shí)所需要的平均功率，第三項(xiàng)代表反映車(chē)輛加速性的功率需求。

綜合考慮純電動(dòng)汽車(chē)滿足最高車(chē)速、最大爬坡度和加速等各種情況下的功率需求，得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率的要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率為：

?（6）

根據(jù)現(xiàn)有平臺(tái)資源，取峰值功率為160kw，額定功率為100kw。

1.1.3轉(zhuǎn)矩確定

根據(jù)電機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速可以得到電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，計(jì)算公式為：

?（7）

式中，T0表示驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩（N·m），則驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩是：

?（8）

式中：

Tmax為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩（N·m）；

λp為電機(jī)的過(guò)載系數(shù)，常取3～4。

經(jīng)過(guò)以上分析，選定驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

1.2 動(dòng)力電池組選型計(jì)算

動(dòng)力電池組的最大輸出功率應(yīng)滿足整車(chē)驅(qū)動(dòng)及附件所需，計(jì)算公式如下：

?（9）

式中：

Pbmax——?jiǎng)恿﹄姵亟M最大輸出功率；

Pmmax——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大輸出功率；

Pas——車(chē)輛電動(dòng)附件部分的平均功率；

ηm——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率，取0.96；

ηme——?jiǎng)恿﹄姵亟M放電效率，取0.95。

由上述公式計(jì)算得到，動(dòng)力電池組所需輸出的最大功率為239.97 kW。

另外，整車(chē)?yán)m(xù)駛里程是評(píng)價(jià)純電動(dòng)汽車(chē)的一大重要指標(biāo)，純電動(dòng)汽車(chē)所配備的電池組容量越大，續(xù)駛里程越長(zhǎng)。然而大容量的電池組會(huì)影響整車(chē)的整備質(zhì)量，增加整車(chē)電池包成本。所以應(yīng)該合理匹配整車(chē)動(dòng)力電池組容量，從而提升整車(chē)性能。

電池組電壓取537.6V，采用等速法（40km/h）并利用續(xù)駛里程設(shè)計(jì)目標(biāo)值對(duì)電池容量進(jìn)行反向計(jì)算。具體計(jì)算方法如下：

已知續(xù)駛里程設(shè)計(jì)目標(biāo)值D=160km，整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)效率ηT，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率ηe，動(dòng)力電池組放電深度ηb，動(dòng)力電池組總?cè)萘縀（kWh），該純電動(dòng)汽車(chē)在40km/h滿載穩(wěn)定行駛時(shí)輸出功率為P40=20.83（kW），根據(jù)能量守恒定律，可得到如下計(jì)算公式：

?（10）

則電池的容量為：

?（11）

代入各項(xiàng)數(shù)據(jù)，由上式計(jì)算得，電池組總?cè)萘縀 =102.62 kWh，根據(jù)現(xiàn)有資源選取儲(chǔ)能裝置總儲(chǔ)電量為115.92 kWh。

2 模型建立及仿真分析?

2.1 仿真模型建立

本文采用Cruise軟件進(jìn)行整車(chē)仿真模型的建立，靈活的模塊化理念使得Cruise可以對(duì)任意結(jié)構(gòu)形式的汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，同時(shí)完善的算法程序保證了較快的運(yùn)算速度和計(jì)算精度。

依據(jù)純電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力的傳輸路線可以建立車(chē)輛的仿真模型，并輸入各部件所需的參數(shù)，如圖2所示。

圖2 純電動(dòng)車(chē)仿真模型

2.2 性能仿真分析

2.2.1整車(chē)動(dòng)力性分析

純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)為最高車(chē)速，某一車(chē)速下的最大爬坡度和起步加速時(shí)間。

（1）整車(chē)最高車(chē)速及加速時(shí)間分析

利用Cruise計(jì)算任務(wù)中的全負(fù)荷加速性能任務(wù)計(jì)算了純電動(dòng)汽車(chē)在加速過(guò)程中的最高車(chē)速和加速時(shí)間。如圖3所示。

圖3 加速過(guò)程中車(chē)速、加速度與距離的關(guān)系圖

由圖中可以得到純電動(dòng)汽車(chē)最高車(chē)速可達(dá)到73 km/h，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)值。同時(shí)，由圖可得到該純電動(dòng)汽車(chē)從靜止加速到50 km/h的加速時(shí)間為14.12s，小于設(shè)計(jì)的目標(biāo)值18s，故滿足要求。

（2）最大爬坡度分析

盡管在市區(qū)路況下不存在如同鄉(xiāng)村公路那樣非常極端的陡坡，但是隨著城市化水平的提高，交通基礎(chǔ)建設(shè)的拓展，市民對(duì)高架橋以及室內(nèi)環(huán)線或高速的依賴(lài)性增強(qiáng)，因此即使是在城市中也必不可少的存在高架橋的上下坡，而此時(shí)則必須考慮車(chē)輛的爬坡性能。設(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)致爬坡能力的不足會(huì)對(duì)交通線的暢通帶來(lái)不必要的麻煩，并且也潛在溜車(chē)等交通事故的發(fā)生。因此，檢驗(yàn)車(chē)輛的最大爬坡度是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。

圖4 各車(chē)速下純電動(dòng)客車(chē)的爬坡度

圖4顯示了各個(gè)車(chē)速下純電動(dòng)汽車(chē)的爬坡能力，我們可以得出，當(dāng)車(chē)速為20 km/h時(shí)，最大爬坡度為19.34%，滿足設(shè)計(jì)的性能要求。

2.2.2整車(chē)經(jīng)濟(jì)性分析

純電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)為續(xù)駛里程和電耗。本文分別以40km/h等速和CCBC兩種工況條件對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行仿真分析，計(jì)算兩種工況下的百公里能耗和續(xù)駛里程。

（1）40km/h等速工況下的百公里能耗和續(xù)駛里程分析

圖5反映了在40km/h等速行駛工況下電池SOC值與行駛距離的關(guān)系。經(jīng)計(jì)算，在動(dòng)力電池組放電深度為85%的條件下，40km/h等速工況百公里能耗為54.61kwh/100km，續(xù)駛里程值大于設(shè)計(jì)的目標(biāo)值160km，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 40km/h等速行駛工況下電池SOC值與行駛距離的關(guān)系圖

（2）CCBC工況能耗分析

中國(guó)典型城市公交循環(huán)即CCBC工況對(duì)于城市客車(chē)的能耗分析具有深刻意義，其車(chē)速和時(shí)間關(guān)系如圖所示。

圖6 CCBC行駛工況

一個(gè)CCBC行駛工況的總時(shí)間為1314s，運(yùn)行距離5.8km。在一個(gè)行駛工況時(shí)間內(nèi)，電池的SOC值及消耗電量如下圖7-8所示。

圖7 CCBC行駛工況下電池SOC值變化圖

圖8 CCBC行駛工況下能耗值變化圖

圖9 多個(gè)CCBC行駛工況循環(huán)下能耗與電池SOC值變化圖

圖9為多個(gè)CCBC行駛工況循環(huán)下，電池SOC值變化量、距離和能耗的關(guān)系圖。經(jīng)綜合計(jì)算，CCBC工況下的百公里能耗為73.83 kwh/100km，能耗小于要求的81 kwh/ 100km，續(xù)駛里程達(dá)到123km，符合設(shè)計(jì)要求。

3 仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析?

為了驗(yàn)證動(dòng)力總成系統(tǒng)參數(shù)匹配的正確性及仿真模型的合理性，對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行了動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)。將樣車(chē)的實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表4及表5所示。

表4 動(dòng)力性實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比

表5 動(dòng)力性實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比

通過(guò)仿真與實(shí)測(cè)值對(duì)比表可發(fā)現(xiàn)仿真與實(shí)測(cè)值相差不大，誤差值在可接受范圍內(nèi)。

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4 結(jié)論?

本文以某純電動(dòng)汽車(chē)作為研究對(duì)象，首先進(jìn)行了動(dòng)力總成系統(tǒng)的選型匹配計(jì)算，并利用Cruise軟件進(jìn)行了整車(chē)仿真模型的建立?；诜抡婺Ｐ瓦M(jìn)行了動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算分析。結(jié)果表明，整車(chē)參數(shù)匹配結(jié)果合理且模型具有較高的正確性，為后續(xù)的開(kāi)發(fā)優(yōu)化奠定了良好的基礎(chǔ)。

編輯：黃飛

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