基于ＣＲＵＩＳＥ纯电动汽车匹配计算与仿真 朱鹏飞 赵文杰 许宏云 （合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥２３０００９） 【摘要】 建立纯电动汽车的动力系统结构和控制策略，提出动力系统的匹配设计方法，在理论设计和工 程分析的基础上，对其电机、电池以及传动比进行了匹配。应用ＣＲＵＩＳＥ软件搭建模型进行仿真研究，证明匹配 的结果满足设计要求，表明这种方法可行有效，为后续研究奠定基础。 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｐｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｅｓ— ｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｔｈｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ，ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ ａｒｅ ｍａｔｃｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＣＲＵＩＳＥ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎｄ ａ ｅｍｕｌａｔｉｏｎａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｎ ｔｏ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｒｅｓｕｈ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｉｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒａｃｔｉｃａｂｌｅ ａｎｄ ｅｆ－ ｆｅｃｔｉｖｅ．ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉＳ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． 【关键词】 纯电动汽车参数匹配仿真 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－４５５４．２０１２．０９．０３ 电动汽车的动力性能主要取决于动力系统的 ０ 引言 参数匹配（包括动力源、驱动电机、动力电池、变速 器等） Ｊ。本文根据电动汽车的参数和设计要求， 目前，能源与环境已成为全球关注的问题，汽 通过理论计算，完成电动汽车的动力匹配，包括电 车行业在推动经济发展的同时也带来了严重的污 机、电池、变速器等。试制研发的纯电动汽车的整 染，在当前技术条件下发展电动汽车无疑是汽车 车主要参数如表１所示。 行业向前发展的一种选择，在电动汽车的研发过 表１整车主要技术参数 程中，采用专业软件ＣＲＵＩＳＥ对电动汽车进行建模 满载质量／ｋｇ ２ ２４５ 轴距／ｍｍ ２ ７９Ｏ 及仿真研究，可以节省大量的时间，使模型过程简 整备质量／ｋｇ １ ８７０ 外形尺寸／ｍｍ ４ ８６５×１ ８０５ ｘ１ ４８０ 单化¨Ｊ。本文以南洋集团ＮＹ７２７ＥＶＴ纯电动汽车 迎风面积／ｍ ２．６１７ 风阻系数 Ｏ．３５ 开发为例，在动力参数匹配中首先确定驱动电机， 车轮半径／ｍｍ ３０７ 滚动阻力系数 ０．０１５ 然后合理匹配传动系参数和选择动力电池容量以 纯电动汽车动力性能指标如表２所示。 实现综合性能优化设计目标。 １．２驱动电机参数选择与匹配 驱动电机是电动汽车的动力源，对电动汽车 １ 纯电动汽车的参数匹配计算 的动力性和经济性影响最大，驱动电机的参数选 择与匹配包括电机的最大功率和额定功率、电机 １．１ 纯电动汽车的基本参数及设计要求 的最高转速和额定转速等。 收稿日期：２０１２—０７—０３ 上海汽车２０１２．０９ 表２纯电动汽车设计要求 最高车速／（ｋｍ／ｈ） ≥１２Ｏ 动力性 加速时间／ｓ ≤１０（０～５０ ｋｍ／ｈ 加速时间／ｓ ≤ｌ５（５Ｏ～８０ ｋｍ／ｈ 摄大爬坡度／％ ≥２Ｏ（１５ ｋｍ／ｈ） 经济性 ６０ ｋｍ／ｈ续驶里程／ｋｉｎ ≥２００ ＮＥＤＣ续驶里程／ｋｍ ≥１５Ｏ １．２．１ 电机峰值功率和额定功率的匹配 电机峰值功率通常依照纯电动汽车的最高车 速ｕ （ｋｍ／ｈ）、加速时间ｔ（Ｓ）和最大爬坡度 …（。）来确定。 首先，根据最高车速Ｕｍａｘ确定的最大功率： ＝ （ ＋ ） （１） 式中：叼 为传动系效率； 为滚动阻力系数；Ｃ。为 空气阻力系数；Ａ为迎风面积（ｍ ）； …为爬坡时 的最高车速。 其次，根据最大爬坡度 确定的最大功率： Ｐ （ｍ ｃ。ｓ …＋ ｓｉｎ ＋ ２１ １ ） （２）．５ 式中：／Ｚ 为最大爬坡度时的车速；Ｏｄ 为最大爬坡 度（ ＝ｔａｎ一而ｂｍａｘ）。 最后，根据加速时间ｔ来确定最大功率： Ｐｍａ妇 （ 表＋ｍｇｆ Ｕｔ＋ ２１ １５ ２ ． ×．５‘ ） （３） 式中：ｔ。为汽车加速时间；／ｚ 为汽车的加速末速 度。 电机的最大功率Ｐ 必须同时满足的条件： Ｐ…≥［Ｐ ，Ｐ ｘ２，Ｐ 】【３］［３ 将表１中的整车参数代入上述公式并按照表 ２设计要求，计算得： Ｐ 】：３７．２８６ ｋＷ，Ｐ ｘ２＝２１．４７ ｋＷ，Ｐ ∞＝ ５８．４ ｋＷ。故可选Ｐ…＝６５ ｋＷ。 电动机的额定功率应满足最高车速的９０％或 者我国最高限速１２０ ｋｍ／ｈ匀速巡航行驶的功率： Ｐ额Ｉ＞９０％×Ｐ １＝３３．５７ ｋＷ，可选额定功率为： ・ｌ２・ ３５ ｋＷ。 此时的过载系数：Ａ＝Ｐ ／Ｐ额：１．８６。 １．２．２ 电机额定转矩及最高转矩的选择 电机的最大转矩满足电动汽车的起步加速和 最大爬坡度，同时结合传动系最大传动比（ …）和 （ ）来确定。 ：去 ｌ ｍａｘ （４） 式中：ｒ为轮胎滚动半径；ｉｍ 为传动系的最大传动 比。 １．２．３电机的选择 根据电机实际特点、一般车用电机特点、合理 的过载系数，选择合理的最高转速和额定转速，综 合以上计算结果和分析，选用尤奈特永磁无刷直 流电机，该电机主要性能参数如表３。 表３电机的基本参数 类型 峰值功率／ｋＷ 额定功率／ｋＷ 峰值转速／ （ｒ／ｒａｉｎ） 永磁直流电机 ６５ ３５ ９ Ｏｏｏ 电机尺寸 峰值扭矩／ 额定扭矩／ 额定转速／ （Ｎ・ｍ） （Ｎ・ｍ） （ｒ／ｍｉｎ） ２４０×Ｌ４４０ ｍｍ １４５ ７５ ４ ２００ １．３传动比的选定 电动汽车传动比的选择对其动力性、经济性 有着明显的影响，一般来说，传动比越小则其获得 的最高车速越大，传动比越大则其爬坡能力和加 速能力越大，但其能耗变大，所以为了兼顾动力性 和经济性，电机具有较理想的外特性曲线，一般设 置１～３个档位即可。 １．３．１最小传动比的选取 一般最小传动比是依据电动汽车的最高车速 和电机最高转速来计算的： ｉ ｉ ＝０．３７７ ｒ （５） 式中：／２ｍａｘ为电动汽车设计的最高车速。 １．３．２最大传动比的选取 最大传动比依据最大爬坡度和最大扭矩决 定： Ｏ ｍａｘ： （６） 。 叼 上海汽车２０１２．０９ 式中： 为电机的最大输出扭矩。 １ ０００Ｐ。 ・Ｓ 综上，经过计算得到ｉ…＝８．６８，ｉ…＝１３．８５， 电机具有较理想的外特性曲线，所以电动汽车不 综上：得到满足续驶里程２００ ｋｍ的最小电池 需要像传统汽车要设置较多档位，根据试制的纯 电动汽车的要求，本变速器为３档变速器，主减速 容量Ｃ＝１４９．７３９ Ａｈ，最终选取动力电池的容量Ｃ ＝１５０ Ａｈ，动力电池的组合方式是１５并９０串，即 器传动比ｉｏ＝４．５１２，１档：ｉ ｌ＝１．８６１，２档：ｉ ＝ １５Ｐ９０Ｓ ，动力电池的参数如表４。 ２．４１１，３档：ｉ ＝３．１２５ 。 １．４电池组参数设计 锂电池有能量密度高、使用寿命长、安全性 好、可快速充电等优点，通过对比国内外各种锂离 子电池的发展情况、国家相关产业、商品化、 性能、安全性、一致性等综合因素，采用国内主流 的磷酸铁锂动力电池，电池单体使用１８６５１４０单 体。 电池组电压等级与电机工作电压相匹配，此 电机的额定电压２８８ Ｖ，确定电池组电压等级ｖ０＝ ３．２ ｘ９０＝２８８ Ｖ。 电池的能量计算公式为： ＝Ｕｂ Ｘ Ｃ／１ ０００ 式中： 为电池组的实际能量；Ｕ 为电池组的平 均工作电压；Ｃ为电池组的总容量，电动汽车续驶 里程５（ｋｍ）所需的能量，可用等速法和工况法来 计算。在初步设计中，采用等速法进行续驶里程 初步计算，在后续设计中应用国标中规定的工况 来仿真校核续驶里程，所以汽车以 等速行驶， 可得阻力功率及整车能量消耗为： ＝ （ｍ ＋ ） （８） Ｐ ＝Ｐ ／ （９） Ｗｒｎａｄ＝Ｐ ｔ＝Ｐ （Ｓ／ｕ。 。） （１０） 式中：Ｐ。 为汽车等速行驶所需的功率；ｗｒ。 为车辆 续驶里程Ｓ所需的能量；Ｓ为电动汽车的续驶里程 设计要求；Ｐ 为电机控制器输入功率； 为电机 与电机控制器总成效率，可在测试平台上测得对 应转速及负载的效率。 电池组的能量满足的条件ｇ ＞ｗｒ。 。 电动汽车行驶消耗的能量为电池组输出的电 能，即： ・ 。 ＝Ｗｒｏ ，式中 。 为电池组有效电 容量系数，该系数取０．８。 根据以上的公式可得到满足续驶里程的电池 组容量为： 上海汽车２０１２．０９ 表４磷酸铁锂离子电池组参数 名义容量／ 单节电压／ 单体质量／ 总电压／ 电池 总质量／ Ａｈ Ｖ ｋｇ Ｖ 节数 ｋｇ １０ ｌ３．２～３．６５ Ｏ．３２ ２８８ ２８５ ４３２ ．２ ＡＶＬ ＣＲＵＩＳＥ Ｖ２０１０中的建模与 仿真 ＣＲＵＩＳＥ是奥地利李斯特内燃机及测试设备 公司开发的研究汽车动力性、燃油经济性、排放性 能及制动性能的高级仿真分析软件 Ｊ。 ２．１ 整车仿真模型的建立 根据汽车动力传递路线：电机一离合器一变 速器一主减速器一差速器一车轮，建立整车结构 模型。模型的建立中有机械连接和电气连接，难 点是电气连接，它有关纯电动汽车的控制原理和 信息传递，必需对其有很好的理解，才能连接无 误。 ２．２输入计算参数 ＣＲＵＩＳＥ软件的参数输入是图形化界面，输入 的数据包括：迎风面积、轴距、空气阻力系数、整车 装备质量、滚动阻力系数、电机ＭＡＰ图、各档传动 比、主减速比、电池电压、电池数目、车轮的半径、 传动系效率等。 ２．３设定计算任务 根据测试的需要，该纯电动汽车采用６０ ｋｍ／ｈ 等速工况和国标ＮＥＤＣ循环工况（欧洲循环工况） 作为仿真工况，并设定最大爬坡度分析任务和稳 态行驶性能分析任务６０ ｋｍ／ｈ等速工况可以在 ＣＲＵＩＳＥ软件的计算任务模块Ｔａｓｔ Ｆｏｌｄｅｒ下的ｐｒｏ— ｉｆｌｅ文件下应用ｔａｂｌｅ ｅｄｉｔｏｒ进行编辑，可以用时问 或者路程作为ｘ轴，为了得到在等速工况情况下 的续驶里程，应当以路程作为Ｘ轴，可以将Ｘ轴即 ・１３・ 路程编辑得足够长，这样就能清楚地看到ＳＯＣ的 （２）加速结果分析。根据ＣＲＵＩＳＥ从静止连 如龇 变化情况，从而得到等速工况的续驶里程。 新欧洲循环工况（ＮＥＤＣ）由４个ＥＣＥ工况与 一个ＥＵＤＣ工况叠加而成。如图１所示该工况总行 驶里程１０．９３ ｋｍ，历时１ ２２５ Ｓ，最高车速１２０ ｋｍ／ｈ， 平均车速３２．１ ｋｍ／ｈ，最大加速度１．０６ ｍ／ｓ ，最大 减速度一１．３９ ｍ／ｓ ，行驶期间共停车１３次，怠速 时间为３３９ Ｓ …。 图１ ＮＥＤＣ工况车速与时间关系曲线 ２．４仿真结果 （１）循环工况下电机特性分析。根据图２ 知，在循环工况中，电机的工作效率大部分集中 在８１％～９１．５％高效率范围内，由于此纯电动汽 车的档位数为３，可以设置最佳经济性换档规律， 有利于电机工作在高效区，提高续驶里程。在循 环工况中的最高车速１２０ ｋｍ／ｈ时，电机的输出 功率为：６２．７ ｋＷ，没有超过电机的最高功率： ６５ ｋＷ。 ０彻１枷２ｌｎ０捌３５０，０伽４９００． ５６０．０￣．０７（］０，０７＇７０，０８４０．０９１０．０蚴１０５０１ｌ２０ １Ｉ９０ 时间／ｓ 图２ 电机输出效率和输出功率曲线 ・ｌ４・ 续换档全负荷加速仿真任务计算得到纯电动汽车 ０～５０ ｋｍ／ｈ和５Ｏ一８０ ｋｍ／ｈ超车加速下的时间。 在ｒｅｓｕｌｔ文件中可得到仿真结果，具体数据如表５ 和表６所示。 表５ ０—５０ ｋｍ／ｈ加速时间 车速／（ｋｍ／ｈ） １０ ２０ ３０ ４０ ５０ 时间／ｓ １．Ｏ７ ２．１８ ３．６１ ５．Ｏ８ ７．２ｌ 距离／ｍ １．４８ ６．１７ ｌ６．２４ ３０．５３ ５６．９２ 电机转速／（ｒ／ｍｉｎ） １ ２１８ ２ ４３６ ２ ８ｌ９ ３ ７５９ ３ ６２７ 表６ ５０—８０ ｋｍ／ｈ加速时间 车速／（ｋｍ／ｈ） ５０ ６０ ７０ ８０ 时间／ｓ Ｏ ２．０９ ４．３５ ７．１２ 距离／ｍ ０ ３１．９４ ７２．９３ １３Ｏ．６９ 电机转速／（ｒ／ｍｉｎ） ３ ６２７ ４ ３５３ ５ Ｏ７８ ５ ８０４ （３）最大爬坡度结果分析。不同档位、不同车 速下的最大爬坡度如图３所示，从曲线可看出１ 档的爬坡度是最大的，由于电机在基速ｎ。之前是 如 ＝２ ９ ６ 恒转矩输出，所以爬坡度曲线较平稳，基速之后是 恒功率输出，爬坡度曲线如双曲线下降，得到车速 为１５ ｋｍ／ｈ时的最大爬坡度值为：２７．３０％。 Ｌ ｌ档爬坡度 ｔ ．２档爬坡度 、 、 蛘 Ｌ ３ 当爬坡度 、 ＼ —＼ ＼ ＼ ＼ ＼ 、、 Ｏ ９．０ ｌ＆Ｏ ２７．０ ３６．０ ４５Ｄ ５４－０ ６３＿０ ７２Ｄ ８１－０９∞９ ０ｌ０８＿０１１７ｌ０ 车速／０∞ｍ） 图３档位、车速与爬坡度曲线 （４）最高车速结果分析。不同档位的最高车 速统计如表７所示。 表７各档最高车速 档位 车速／（ｋｍ／ｈ） 转速／（ｒ／ｒａｉｎ） １ ７３．００ ８ ８９３．５０ ２ ９５．７５ ９ ０００．０ｏ ３ １２４．Ｏ０ ８ ９９６．９１ 上海汽车２０１２．０９ 亭（５）续驶里程结果分析。在计算任务当中建 立匀速循环工况，将循环距离设为２５０ ｋｍ，便可得 到电池ＳＯＣ的变化曲线，如图４所示，当ＳＯＣ： １５％的点的横坐标作为电动汽车的续驶里程，则５ ＝２２４．７ ｋｍ。 二：＼ ＿ ＇ ＾一＿～ ＿一 ｊ ｊ ｊ ｊＩ ｝ 一｛一一｛一一 ｝一一 …４一… ＂￣ ：－ －－４卜－－斗４－－－ …二 …删 ｊ一 ｉ 馋 Ｌ一—ｕ＿＿一 …ｊ－＿０—０ 一一一 ｊ ｌ； ＿｛＿－ －－ｌ ＿， ～÷一卜｜…，≯，一 ｛＿ ｊ＿一 一＾ｌ－一＿ ＿０ ２０００∞６０ｏ０∞１０ｏ００∞ｌ４ｏ００∞１８００００，０ Ｚ抑ｏ０∞２６０００∞３００ｏ０呻３４０００∞ 距离／ｍ 图４匀速６０ ｋｍ／ｈ行驶时ＳＯＣ变化曲线 ＮＥＤＣ循环工况时动力电池ＳＯＣ的变化曲线 如图５所示。 、～ 、～ ＼～ ＼ 、 皿唧 、 稚 Ｌ 时间／ｓ 图５ ＮＥＤＣ工况行驶时ＳＯＣ曲线 续驶里程Ｓ＝（ＳＯＣ／ＡＳＯＣ）ＸＳｈＥＤｃ＝１５２．３３ ｋｍ， 式中：ＳＯＣ为电池组有效电容量系数，此处取０．８， 电池的容量允许从９５％放电到１５％；ＡＳＯＣ为一 次ＮＥＤＣ循环工况电池ＳＯＣ的变化量。 （６）结果对比。设计要求、理论计算与仿真结 果对比如表８所示。 ３ 结语 计算结果表明，以磷酸铁锂电池为动力源的 上海汽车２０１２．０９ ０∞ 舛 Ｓ｛ 蚰 窨昌盯踮 表８整车仿真结果对比 指标—＼ 、、＼数值 设计要求 理论计算 仿真结果 最高车速／（ｋｍ／ｈ） ≥１２Ｏ １２４．３５ １２４．ｏｏ 车速（２０ ｋ最大爬坡度／％ ≥２Ｏ ２６．ｒｎ／ｈ） ３０ ２７．３４ 加速性能／ｓ（０～５０ ｋｍ／ｈ） ≤１０ ５．８５ ７．２ｌ 加速性能／ｓ（５０～８Ｏ ｋｍ／ｈ） ≤１５ ７．０８ ７．１２ 续驶里程（６０ ｋｍ／ｈ） ≥２０ｏ ２００．３５ ２２４．７５ 续驶里程（ＮＥＤＣ工况） ≥１５０ １５５．５２ １５２．３３ 电动汽车的加速性能、爬坡能力、最大速度、续驶 里程等性能指标都满足设计要求，跟理论计算的 结果非常接近，验证了仿真模型的正确性和有效 性，为电动汽车的设计、动力性能预测和分析提供 了一种有效方法和手段，也为后续的研究工作奠 定了基础，可以在此模型的基础上研究制动能量 回收、电机的控制、电池管理策略、基于各种算法 的传动系速比的优化以及整车控制策略等，为纯 电动汽车的各种研究提供了模型。 参考文献 ［１］ 刘松灵，顾力强．基于Ｇｒｕｉｓｅ的混合动力汽车传动系统 建横与仿真分析［Ｊ］．传动技术，２００８，２２（４）：２１－４５． ［２］ 王天利，于洋，王磊．基于某型纯电动汽车的动力匹配 及仿真优化研究［Ｊ］．农业装备与车辆工程，２０１２（２）：２５－２８． ［３］刘灵芝，张炳力，汤仁礼．某型纯电动汽车动力系统参 数匹配研究［Ｊ］．合肥工业大学学报，２００７，３０（５）：５９１－５９３． ［４］姜辉．电动汽车传动系统匹配及优化［Ｄ］．哈尔滨：哈尔 滨工业大学汽车工程学院，２００６． ［５］余志生．汽车理论［Ｍ］．北京：机械工业出版社。２０００：５８ —７０． ［６］ 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