基于CRUISE的纯电动轿车动力总成参数优化匹配及性能仿真分析-一汽技术中心-王燕等

基于CRUISE的纯电动轿车动力总成参数优化匹配及性能仿真分析王燕1，杨兴旺1，郑益红1，赵子亮1（1中国第一汽车集团公司技术中心，长春市创业大街1063号）[摘要]在电动汽车开发过程中，动力总成的选型对整车动力性、经济性以及整车成本至关重要。本文针对一汽某款纯电动轿车，提出了其电机、电池以及减速器等动力总成的匹配方法，并结合整车性能指标要求，应用AVLCRUISE软件对这些参数进行了匹配计算，得到了较为满意的结果，为下一步的整车开发奠定了基础。实践表明，利用专业软件进行建模和仿真，可以大大提高动力总成参数匹配效率。AVLCRUISE软件非常适用于整车前期开发的参数匹配和性能预测。关键词：AVLCRUISE；参数匹配；减速器速比；经济性优化主要软件：AVLCRUISEPowertrainParametersDesignAndVehiclePerformanceSimulationofBatteryElectricVehiclesBasedOnCRUISEWangYan1,YangXingwang1,ZhengYihong1,ZhaoZiliang11.CHINAFAWCo.,Ltd.R&DCENTERNO.1063ChuangyeStreet，Changchun,jilin,China;[Abstract]Itisveryimportantforthepowertrainselectionwhichcanaffectthevehicleperformance,consumption,costandsoonduringthedevelopmentprocessofelectricvehicles.Amethodofparametersdesignofthemotor,powerbatteriesandtransmissionisputforwardforacertainElectricVehicleofFAW.Accordingtothevehicleperformancerequirements,thesoftwareofAVLCRUISEwastakentodesignandcalculatethevehicleparameters,andasatisfactoryresultwasobtainedfromthecalculationprocess,whichestablishedafoundationforthenextvehicledevelopment.Thepracticeshowsthattheuseofspecializedsoftwareformodelingandsimulationcangreatlyimprovetheefficiencyofthepowertrainparametersdesign,andAVLCRUISEisverysuitableforparametersdesignandvehicleperformancepredictioninthepriorphaseofthevehicledevelopment.Keywords:AVLCRUISE;parametersdesign;reducerratio;economicoptimizationSoftware:AVLCRUISE1.前言随着电动汽车的发展，各大企业把越来越多的精力投入到混合动力和纯电动轿车研发上。众所周知，目前制约纯电动车发展的两个重要影响因素就是续驶里程和成本。在现有水平条件下，对电动汽车的动力总成系统参数进行合理的匹配和设计，可以缩短整车开发周期，减少整车成本，提高传动效率，降低整车能耗，增加续驶里程。纯电动车不同于混合动力车，其驱动电机为唯一动力源，电池为唯一能量源，两者参数的匹配，直接影响整车性能，当两者不能得到合理匹配时，整车输出功率、能量将会受到限制，整车动力性、经济性达不到既定技术指标，且整车成本不能得到合理优化。因此，动力总成合理的选型，关键总成的合理匹配设计，对整车开发至关重要。本文针对一汽某款纯电动轿车，基于AVLCRUISE软件，对整车动力总成参数进行了匹配及整车性能仿真研究。2.AVLCRUISE软件介绍AVL公司开发的CRUISE软件是研究车辆动力性、经济性、排放性能及制动性能的高级仿真软件，它包含了车辆的基本模块和控制模块，用户可以利用模型生成器建立所需的车辆系统模型，并在此基础上进行仿真分析，利用仿真果优化动力总成及传动系的参数，从而快速完成系统的设计。CRUISE是一种非常灵活的车辆仿真分析软件，可对任意结构形式的车辆传动系统进行建模与仿真，用于车辆开发过程中的动力系统、传动系统的匹配、整车性能预测和仿真计算。可进行发动机、变速器、轮胎的选型及匹配优化；还可以用于混合动力汽车、电动汽车的动力传动系统及控制系统的开发和优化。CRUISE具有以下特点：1)模块化的概念可进行各种汽车和动力总成配置的分析；2)智能化的司机模型根据人体反应真实地再现车辆的行为；3)发动机的冷启动模型考虑了高等摩擦和热力学效应；4)黑盒子功能可嵌入用户自定义的模块和控制算法；5)具有一维流体动力学软件Flowmaster和KULI接口；6)具有MATLAB/SIMULINK接口。3.模型搭建及仿真输入3.1匹配目标基于一汽某款纯电动轿车，重新匹配动力电机、电池及减速器等动力总成参数，使得整车满足动力性、经济性性能指标要求。3.2模型搭建及整车基本参数利用CRUISE软件搭建纯电动轿车模型，如图1所示。整车基本参数如表1所示。图1纯电动轿车模型表1整车基本参数项目指标备注整车参数整备质量,kg1300迎风面积，m^22.25估计值风阻系数0.32轮胎参数轮胎型号205/55R16滚动半径,mm308估计值3.3整车性能指标表2所示为整车性能指标，对于纯电动车来说，环境温度对整车性能影响很大，表中仅为常温下性能指标，参数匹配时还需考虑低温下性能。同时，性能指标只作为动力总成参数匹配参考，整车实际开发中当总成部件受到某些参数的限制时，会使得某些性能指标不能达到要求，这时需要视情况对某些性能指标作出一些妥协。表2整车性能指标要求项目指标备注动力性最高车速,km/h≥140半载0-100km/h加速时间,s≤12半载0-50km/h加速时间,s≤5半载爬坡度,%≥30满载马路台阶,mm100mm满载经济性NEDC电耗,kWh/100km≤15加载100kgNEDC续驶里程,km≥1404.动力总成参数匹配4.1驱动电机参数匹配驱动电机参数匹配重点工作集中在电机峰值输出扭矩、电机峰值输出/输入功率、额定输出功率、电机最高转速；同时在匹配电机参数时，需考虑不同工况工作点范围，为电机后续设计提供数据支持。4.1.1电机峰值扭矩电机峰值扭矩主要影响整车破路起步能力、攀爬马路台阶（curbhight）能力、起步加速度，因此在减速器速比固定的前提下，主要考虑这些方面即可，峰值扭矩Tmax=MAX（Tmax1，Tmax2）。（1）满足最大爬坡度的峰值扭矩Tmax1Tmax1由最大爬坡度和最大速比（固定减速比）共同确定，关系式如式（1）所示：t2f1maximgsin21mgfcosACTDA（1）m—电动车质量（满载），kg；f—滚动阻力系数；CD—空气阻力系统；A—迎风面积，m2；—最大爬坡度，°；a—空气密度；—轮胎滚动半径，mm；i—最大速比（或固定减速比）根据AVLCRUISE的ClimbingPerformance任务栏，考虑打滑，计算可得满足30%的爬坡度需电机转矩220Nm（峰值扭矩持续时间30s）即可，预留少许余量以满足整车后续开发中，整车重量增加等非确定因素引起的对电机扭矩增大的需求，因此暂定电机扭矩为230Nm。适当的增大扭矩可以提高整车起步能力，进而可以提高动力性（当功率不能在增加时）。图2所示为不同爬坡度所需电机峰值扭矩。图2不同爬坡度需求的电机扭矩电机扭矩选为230Nm时，验证整车起步加速度为3.24m/s^2。典型工况起步加速度统计如图3所示，电机扭矩选为230Nm（峰值扭矩持续时间30s）时，可满足大多数工况起步需求。图3典型工况起步加速度统计（2）满足马路台阶（或curbhight，100mm）的电机最大扭矩Tmax2此处考虑的是极端情况，即整车满载，正向，静止开始爬上马路台阶（100mm）即可，对电机的需求扭矩较大。攀爬马路台阶是否有需求，这可根据整车设计需求而定。当电机需求扭矩过大，无法进行合理的设计时，此处要求可降低。考虑curbhight，驱动轮受力情况如图4所示，由公式（2）可知，满足100mm的curbhight需求时，电机扭矩为260Nm，同样考虑整车后续开发中，整备质量有增加的风险，预留一定余量，选电机扭矩为265Nm。验证其起步加速度为4.04m/s^2，可满足典型工况起步加速度要求。图4驱动轮攀爬马路台阶时受力图分析t2max/mgcos21iT（2）综上所述，电机峰值扭矩Tmax选择为265Nm可满足爬坡、攀爬马路台阶、起步加速度等要求。4.1.2电机功率电机是纯电动车的唯一动力源，电机功率的大小，直接影响整车加速性。电机峰值输出功率首先满足的就是0~100km/h加速要求；而制动能量回收时，电机的峰值制动功率会限制能量的回收多少，进而影响整车续驶里程。（1）峰值输出功率Pd纯电动的峰值功率由0~100km/h加速时间决定，电机输出功率应满足：32b2fad51mgf32t2mfDafAVCVVVP（3）--旋转质量换算系数m--整车整备质量fV--基速对应车速bV--终点车速，这里指100km/h根据AVLCRUISE中FullLoadAcceleration任务栏计算可知，电机峰值扭矩为265Nm时，峰值输出功率选为80kW时，可满足0~100km/h＜12s要求。（2）峰值制动功率PcdtdVmAVCifmgVPDamt2c21)(（4）--电机供给总制动能量的百分率（0＜＜1）t--传动装置效率m--电机功率损耗其中，坡路坡度i或加速度dV/dt可以一个为负值，也可都为负值。车辆行驶中尽可能多的回收制动能量，可以延长续驶里程。因此电机的峰值制动功率需尽可能的满足多数工况制动需求。图5所示为车辆在不同循环工况中制动率回收能力。由这些数据可知，电机的制动功率满足多数循环工况时，需30kW，预留一定余量，选为35kW。图6、图7分别为该纯电动轿车在NEDC、ChangChun循环工况中的制动功率需求。图5制动率回收能力图6NEDC电机制动功率需求图7ChangChun电机制动功率需求（3）额定功率Pconst电机额定输出功率由整车最高车速（30min最高车速）决定，关系式如式(5）所示，根据AVLCRUISE软件中的constandrive任务栏计算可得，满足140km/h车速时，需电机功率约33kW，预留少许余量，选择为35kW。图8所示为车速与功率需求关系图。15.21mgf36002maxtmaxconstACPD（5）图8车与与功率需求关系图4.1.3电机最高转速此处所指最高转速为有载输出转速，电机有载输出转速要求由整车最高车速、减速器速比决定，可由式（6）计算所得377.0/iVnmax（6）图9所示为不同车速对应的电机最高转速关系。由图可知，当减速器速比为8.037时，电机最高有载输出转速为9700rpm，预留一定余量，选择电机有载输出最高转速为10000rpm。电机空载最高转速可由电机专业设计而定，但不可过高，速比过高导致电机反电动势过高，难以控制，增加电机设计难度。一般无载输出最高转速在12000~13000rpm左右。图9车速与转速对应关系4.1.4其他要求根据颁布的国家标准《纯电动乘用车技术条件》所规定爬坡性能来计算电机所需提供的功率，即按照GB/T18385《电动汽车动力性能试验方法》规定的试验方法，测量车辆的爬坡车速和车辆最大爬