【理学论文】基于CRUISE的电动汽车的建模与仿真

0引言

电动汽车以电能这一清洁能源为动力来源，零排放，零污染，是汽车行业未来的发展方向。动力性和经济性是汽车重要的性能指标，合理良好的整车参数匹配方法不仅可以满足车辆的动力性要求，而且可以提高车辆续驶历程，提升车辆经济性能。使用专业软件CRUISE对汽车进行建模仿真，可以缩短整车开发周期，降低开发成本。本文以某一款纯电动汽车开发为例，根据纯电动汽车理论设计原理，对整车参数进行匹配计算，并采用CRUISE软件搭建整车模型，对整车动力性、经济性进行仿真研究。

1 参数匹配计算

纯电动汽车动力系统参数匹配的主要任务是完成动力系统部件的选型和参数确定，即确定电机、电池以及变速器的型式及其关键特征参数。本文选取某电动汽车为研究对象，整车参数如表1所示。根据设计要求，本课题设计的纯电动汽车动力性指标如表2所示:

1.1电机参数匹配

驱动电机是纯电动汽车唯一的动力来源，是决定整车动力性与经济性的关键因素之一。选择一台电动汽车的驱动电机，需要匹配的参数主要有电机的额定功率、最大功率、额定转速、最高转速等。

1.1.1确定电机额定功率与最大功率

电机功率通常由电动汽车的最高车速u（）、最大爬坡度和加速时间t这三个动力性能指标决定。

最高车速确定最大功率计算

最高车速时，忽略坡度阻力，车辆主要受到滚动阻力和风阻的影响，最大需求功率为

式中：为传动系效率（本文取0.9）；为滚动阻力系数；为空气阻力系数；为迎风面积；为最高车速。

汽车以某一速度爬上一定坡度时，最大需求功率为式中。

车辆加速过程中，忽略坡路阻力，所受到的阻力主要包括滚阻、风阻以及加速阻力，加速后期所需功率最大，最大需求功率为式中：为经过加速后汽车速度，为加速时间，为旋转质量换算系数。

电动汽车驱动电机最大功率应能同时满足汽车对最高车速、爬坡度以及加速时间的要求，所以驱动电机最大功率需满足条件为：

将整车参数代入上述公式中可得

，，。因此电机最大功率可选。驱动电机额定功率需满足最高速的90%巡航行驶的功率，即。

由式知，电机过载系数=1.8。

驱动电机最大转矩需要满足汽车起步转矩和最大爬坡度要求。在确定驱动电机最大转矩时，认为汽车匀速行驶，则此时车辆行驶方程为即电机最大转矩为

式中：为空气密度（），为汽车爬坡速度，为传动系最大传动比，为轮胎滚动半径。

根据以上分析本文选择的驱动电机主要性能参数如表所示。

1.2 动力电池参数匹配

相比传统的铅酸电池，锂电池具有较高的能量密度，而且循环使用寿命长、安全系数高等优点，被广泛应用在纯电动汽车和混合动力汽车上。电池组电压等级与电机工作电压相匹配，确定电池组电压等级。

电池的能量计算公式为。

根据整车设计目标要求，60km/h 匀速运行续驶里程S应达到 140km。电动汽车以匀速行驶，整车需求功率为

电机控制器输入功率为。式中为驱动系统总成效率。

等速条件下，满足一定行驶距离S所需能量为

电池组的能量满足条件为。

动力电池在一定的放电深度下，所能放出的额定能量为

动力电池在一定的放电深度下能够满足的汽车续驶历程为

。式中为电池块有效放电容量，本文取0.8。

在实际运行时汽车耗电附件耗电量占整车耗电量约15%左右。将相关参数带入计算确定电池组总电压为，容量C=60Ah。电池组具体参数信息如表所示

1.3 传动比匹配

在电机输出特性一定时，电动汽车 传动比的选择应满足汽车动力性能的要求，即应满足汽车最高期望车速、最大爬坡度和加速时间的要求。本文所研究的电动汽车采用固定速比减速器，这样可以省去变速器，利用主减速器实现直接档驱动， 从而大大降低整车的质量， 提高能源的利用率。驱动系统传动比。

传动系传动比的上限主要是根据发动机或者电机最高转速和车辆的最高车速共同确定的， 其计算公式如式为

其中，表示电机最大转速，表示汽车最高车速。

传动比对于传动系速比下限的计算主要是根据车辆设计最大爬坡度指标要求来计算，其计算公式如式为

其中， 表示最大坡度行驶时车辆所受阻力。表示电机最大输出转矩。

综上所述，该汽车固定传动比可取8.3。

2 AVL CRUISE建模与仿真

2.1 仿真模型建立

CRUISE软件是一种针对汽车动力性、经济性进行分析的软件，采用模块化的设计方法，可以对任意结构形式的汽车传动系统进行建模和仿真。整车模型模块选用整车模块，驾驶室模块、单级减速模块，车轮和制动器。车辆模型如图所示

建立好样车模型后，输入电机MAP图、减速比、迎风面积、轴距、整车装备质量等参数后，通过定制新欧洲循环工况（NEDC）、全负荷加速性能、爬坡性能、最大速度性能、60km/h等速行驶五个计算任务，分析研究参数匹配后整车的动力性与经济性。

2.2 仿真结果分析

循环工况下电机特性分析。

本文采用新欧洲循环工况（NEDC），该工况总行驶里程10.93km，历时1225s，最高车速120km/h，平均车速32.1km/h，运行期间共停车13次。基于准静态仿真，循环过程瞬态电耗如图所示。由汽车速度曲线可知，匹配后的车速满足NEDC工况要求，最大速度可以达到120km/h。由SOC曲线可知，在工况运行后期，随着汽车速度增大，SOC迅速下降；停车时SOC没有明显变化，这是因为电机无怠速运转，不需消耗能量；在刹车制动时，电机通过再生制动系统，实现能量反馈，SOC水平上升。通过计算分析可知，一个循环工况，整车耗电量为4.8Ah。

根据 Cruise 软件的 Result 报告，得到该车具体的全负荷加速任务结果，如表所示。由表可知，该车由静止加速至100km/h耗时14.85s，行驶距离为240.07m，满足设计要求。

（3）最大爬坡度结果分析

汽车最大爬坡度是汽车动力性能的一个重要指标，本文匹配对象汽车的爬坡度曲线如图所示。由图中曲线可知，该车在速度为20km/h时，最大爬坡度为32.68%。

（4）最大速度结果分析

图为该车最高车速曲线，根据 Cruise 软件的 Result 报告，可得该车最大速度为126km/h。大于本文整车最大速度设计要求。

（5）续驶历程结果分析

图为该车以60km/h车速匀速行驶的电池SOC变化曲线。本文电池有效容量为80%（95%~15%），根据Cruise 软件的 Result 报告查知该车SOC为15%时，续驶历程为139.64km，与整车设计要求140km非常接近，未能达到要求。

3 结论

本文首先对一款处于纯电动客车的电机与电池参数进行了匹配分析， 然后对其进行建模和仿真。仿真结果均高出设计要求说明本文所选电机和电池满足设计要求，为后续研发工作提供了必要保证。