微型纯电动汽车动力系统的设计与研究

杨涛，李浙昆，王治军，韩子伟

(昆明理工大学机电工程学院，云南昆明650500)

微型纯电动汽车动力系统的设计与研究

杨涛，李浙昆，王治军，韩子伟

(昆明理工大学机电工程学院，云南昆明650500)

以某微型纯电动汽车作为研究对象，在理论计算和工程分析的基础上，对电机、电池及传动系传动比进行参数匹配，并利用AVL cruise仿真软件建立电动汽车的蓄电池、电动机、传动系、车身等仿真模型，对加速性能、最高车速、最大爬坡度和续驶里程等动力性能进行仿真研究，此外还进行制动能量回馈控制系统的仿真分析。仿真结果分析表明，该微型电动汽车动力系统参数匹配合理，可对电动汽车动力系统的研究提供一定的参考，促进电动汽车的发展。

纯电动汽车；动力系统；参数匹配；建模仿真；AVL cruise

汽车在给人们生活带来便利的同时，也带来了“能源消耗”和“环境污染”两大问题[1]。

为了解决这两大难题，汽车技术的发展发生了转变，力求逐步实现车辆节能化、能源多样化、动力电气化和排放洁净化，更好地实现节油和环保两大目标。纯电动汽车凭借其零排放、低噪声、电力来源广泛等优点，成为了节能、环保、可持续发展的新型交通工具。

近年来，尽管有许多汽车研发部门都投入大量的人力物力来研究电动汽车，但到目前为止动力电池和关键性技术还未取得有效的突破，动力电池的续驶里程和充电时间大大制约了电动汽车的发展和普及。因此，在现在的电池技术条件下，合理地选择传动部件及相关参数，并使匹配达到最优，使之在蓄电池参数不变的情况下，整车动力性能达到最佳和续驶里程值最大，一直是研究者追求的目标，也是本文研究的主要目的[2]。

1 整车参数及性能要求

纯电动汽车主要有三个动力性能指标，分别为最高车速、加速性能和爬坡度。根据对相关文献的阅读和整车参数以及社会调研，提出本次研究的纯电动汽车的动力性能指标如下：(1)最大爬坡度(15 km/h)≥20%；(2)最大车速≥100 km/h；(3) 0～50 km/h加速性能≤10 s，50～80 km/h超车加速≤15 s；(4)续驶里程：30 km/h等速情况下≥120 km，60 km/h等速情况下≥80 km，整车数据如表1所示。

2 动力性能参数匹配

2.1 驱动电机的选择及参数匹配

正确选择电动机的额定参数非常重要。如果选择的电机功率过小，那么电动机转矩与转速可能达不到汽车设计的性能要求，并且电机会常在过载状态下运行，有损电机；相反，如果选择的电机功率过大，那么电机常在欠载状态下运行，此外效率及功率因数也会降低，这样不仅浪费电能，而且增加动力电池的容量，综合经济效益下降[3]。

驱动电机参数匹配主要包括3个参数，额定功率Pe、峰值功率Pemax及最大转矩Tmax。

(1)纯电动汽车的最高车速是指纯电动汽车可以在一定时间内正常行驶的最高速度。通常情况下，纯电动汽车的行驶速度低于最高车速，具有一定的后备功率，用来爬坡和加速。因此可以根据纯电动汽车的最高速度确定驱动电机的额定功率Pe。

(2)根据爬坡性能确定峰值功率，要求瞬时功率即过载功率大于额定功率。

(3)在同样爬坡工况下，若已知主减速器的传动比为i0，则纯电动汽车最大转矩为：

在以上(1)、(2)、(3)三个公式中，r为轮胎滚动半径；m为汽车总质量；g为重力加速度；f为滚动阻力系数；α为坡度角，deg；CD为空气阻力系数；A为迎风面积；v、vmax分别为行驶车速及最高车速；h为传动效率。

经过以上计算和分析，结合市场供应情况，通过对各种驱动电动机进行比较，初步选定无刷直流电机，其主要技术参数为电机电压320 V，额定功率8 kW，最大功率20 kW，额定转速3 000 r/m in，最大转速7 000 r/m in，额定扭矩40 N·m，最大扭矩100 N·m。

2.2 驱动电池的选择及参数匹配

电池的选择主要影响纯电动汽车的动力性能和续驶里程，纯电动汽车行驶完全依赖电池的容量，电池容量越大，可以实现的续驶里程越长，但是电池的体积和质量也会越大，会影响到车辆的性能[4]。通过市场上各种电池的对比，本次研究所选用的电池为磷酸铁锂电池，最大充电量为SOC(充电容量与额定容量的比值，用百分比表示)的90%计算，最大放电程度按照SOC为10%计算。电池的数目确定有以下两种方法[5－6]：

(1)由最大功率来确定电池数目[7]：

式中：Pbmax为模块电池的最大输出功率，kW；Pemax为驱动电机的最大功率，kW；he为电动机工作效率；hec为电控器工作效率。

式中：P恒为匀速行驶时的功率；L为续驶里程数；v恒为匀速行驶时的速度；Vt为单节电池电压；Cr为单节电池额定容量。

以上两种方法中计算结果较大者为所求电池数目，通过计算，电池数目为200，连接方式为每100块为一串，然后并联，电池组容量为43 Ah，额定电压为320 V。

2.3 传动比的选择

传动系的总传动比等于传动系中各个部件之间传动比的乘积，即i=i0ig，其中ig为变速器传动比。

传动系的总传动比上限可根据式(6)确定：

式中：nmax为驱动电机的最高转速。

传动比的下限可由以下两种方法确定：

“九天”吃饭前向神明感恩、始终强调阵头基本功、强制传承者学习传统阵头的基本范型，这些都是传统体育自我管理的表现。学界认为任何范型一旦形成传统，也就成为绝大多数人约定俗成的做法，大家都会遵从的。这些现存的传统是一种长期沉淀的范型，个人要改变本来就既定的东西极其困难。本尼迪克特(Ruth Benedict)认为：“自出生就受到风俗的熏染，长大后参加了文化创造活动，文化的习惯就是他的习惯，文化的信仰就是他的信仰”[10]。

(1)根据驱动电机额定转矩和最高行驶车速对应的行驶阻力确定传动比的下限：

式中：Ter为驱动电机的额定转矩。

(2)根据驱动电机的额定转矩和最大爬坡度对应的行驶阻力确定传动比下限：

由以上两种方法确定的传动比下限中，较大的为所求传动比下限。经过计算选定传动比为5.83。

3 基于AVL cruise软件的整车动力性能仿真

AVL cruise软件可以进行发动机、电机、变速箱、轮胎的选择及整车的匹配优化，还可以用于纯电动汽车、混合动力汽车的动力系统、传动系统及控制系统的开发和优化。它广泛应用于动力传动系和发动机的研究中，不仅可以对车辆的燃油消耗和排放进行计算分析，而且还可对整车的动力性、传动性、制动性进行仿真与优化，同时亦可进行传动系的振动特性分析。

本次研究所用到的纯电动汽车仿真模型主要包含以下几个模块：整车(Vehicle)模块、电机(Motor)模块、电池(Battery)模块、变速箱(Gear Box)模块、车轮(Wheel)模块、驾驶员(Cockpit)模块，并进行相应的参数设置。为了能使各个模块协调发挥作用，必须在各个模块之间建立必要的物理连接和电气连接，然后从数据文件中录入数据，进行仿真计算。

(1)最大爬坡度

汽车的最大爬坡度，是指汽车满载时在良好路面上用一档能克服的最大坡度。它表征汽车的爬坡能力。利用cruise软件的仿真，直接可以得出在不同速度下的爬坡度曲线，如图1所示。随着车速的增加，最大爬坡度逐渐减小，符合车辆的爬坡性能变化趋势。根据仿真结果中values文件所示，可以得到最大爬坡度的确切值。速度在15 km/h时的最大爬坡度为25.09%(≥20%)，满足本次研究所提出的性能要求。

(2)最高车速

最高车速是指在无风条件下，在水平、良好的沥青或水泥路面上，汽车所能达到的最大行驶速度。它表征汽车的动力性能，通过cruise软件的仿真，可以得到最高车速曲线。如图2所示。车速随时间的变化不断增大，最后达到一个最大值，符合车速变化趋势。根据仿真结果中values文件所示，可以得到最大车速的确切值。最高车速为108.8 km/h(≥100 km/h)，满足本次研究所提出的性能要求。

图2 最高车速示意图及最高车速数值

(3)加速时间

如图3所示。根据仿真结果中values文件所示，可以得到加速时间的确切值。0～50 km/h加速时间为8.6 s(≤10 s)，0～80 km/h加速时间为20.4 s，则50～80 km/h超车加速时间为11.8 s(≤15 s)，满足本次研究所提出的性能要求。

图3 50 km/h和80 km/h时加速时间数值(s)

(4)续航能力

续航能力指电动车在最大燃油储备情况下可连续行驶的总里程。续驶里程对于综合评价电动汽车动力电池、电动机及传动系统效率、电动汽车实用性具有积极的意义。车辆在道路上行驶状况可以用一些参数(如加速、减速、匀速和怠速等)来反应，根据这种运动特征的调查和解析，绘制出能够代表车辆运动状况，即车辆的工况图[8]。续驶里程有等速法和工况法两种计算方法。这里将以等速法为例计算续驶里程。

等速法：没有等速续驶里程任务，修改NEDC工况作为等速任务文件。设定以30 km/h和60 km/h的速度等速行驶，使锂电池电量消耗10%(电池不能过耗电，过耗电影响电池寿命，锂电池只能使电量消耗到10%，蓄电池只能使电量消耗到30%)。

从图4可见续驶里程随时间成线性变化，通过仿真结果中values文件可见，在等速30 km/h时的续驶里程为166.7 km (≥120 km)，等速60 km/h时的续驶里程为86.93 km(≥80 km)，满足本次研究所提出的性能要求。

图4 30 km/h及60 km/h时等速工况下的续驶里程

4 制动能量回馈控制系统的仿真分析

对于纯电动汽车而言，由于车体结构中具有电机，而电机具有可逆性，即电机在特定条件下可以充当发电机进行发电，所以制动过程中电动机充当发电机进行制动能量回馈。制动能量回馈对于增加电动汽车的续驶里程和提高电池能量利用率具有重要意义[9]。因此在动力传动系统中加入制动能量回馈系统，如图5所示。

图5 制动能量回馈系统简化图

为了在cruise中实现能量管理控制，使电池和超级电容充分发挥存储结构的优势，可以通过cruise提供的Matlab DLL接口，将在Matlab/Simulink中创建的控制策略连接到cruise中。在Matlab/Simulink环境下对控制策略建模。模型的输入信号是来自cruise的电机负载Load signal、车速speed、超级电容SOC、刹车压力Brake pressure等，主要通过模糊逻辑控制器将刹车压力、电机负载信号作为输出信号反馈到cruise中实现循环控制[10]。

在cruise中构建纯电动汽车制动能量回馈系统模型，主要的模块包括车轮、刹车、电机以及电池等，并且设置为后轮驱动方式，输入电动汽车的初始参数，同时把Matlab DLL嵌入其中。建立合适的工作任务，同时运行cruise模型和Matlab进行联合仿真并得到仿真结果。

美国FTP75工况中区间里程多为变速行驶，工况接近于日常行驶状态，并且方便测试制动能量的回收情况。本次研究就以FTP75工况为例分析制动能量回馈。

通过图6、图7可见在FTP75工况下连续行驶2 500 s里程为17.78 km，而加入制动能量回馈控制系统后，续驶里程达到了30.27 km。可见加入控制策略后里程明显增加，制动能量得到明显回收。

图7 FTP75下续驶里程（有控制策略）

图8 为某时刻的能量分配，可见电池和超级电容同时工作。在不同工况下能量分配不同，超级电容处于放电和充电两个状态交替转换，电机处于电动机和发动机两个状态交替转换。

图8 某时刻能量分配

锂电池SOC值变化如图9所示，纯电动汽车在频繁加速减速工况下，可以回收能量，实现能量回馈。在开始阶段，电池SOC下降较快，这是由于电池放电极化现象引起的。在SOC达到96%以后，下降趋于平稳，这时电池工作在较平稳状态。

5 结论

电动汽车动力传动系统对整车性能有着显著影响，其参数设计及合理匹配更为重要。本次研究中，对电机、电池及传动比进行了选择及参数匹配，利用AVL cruise仿真软件建立动力性能仿真模型，并仿真计算了整车的动力性，还进行了制动能量回馈控制系统的仿真分析。分析结果表明，以磷酸铁锂电池为能源的此款电动汽车在加速性、爬坡能力、最大车速、续驶里程等动力性能指标上满足设计要求，验证了提出的设计计算方法和模型仿真的正确性，为电动汽车的设计、性能预测和分析提供了一定的依据，促进了电动汽车行业的发展。

图9 SOC变化曲线

[1]江挺候.电动汽车热泵系统研究进展[J]．制冷技术，2012，32 (2)：71-74．

[2]王方.微型纯电动汽车动力性能参数匹配及仿真研究[D].合肥：合肥工业大学，2011.

[3]姬芬竹.纯电动汽车传动系参数匹配的研究[J]．汽车科技，2005，6：22-25．

[4]司康.电动汽车核心技术之动力电池及管理系统(二)-电动汽车对动力电池性能的要求[J]．交通世界，2012，16：60-63．

[5]张明.我国纯电动汽车产业发展：前景展望及策略选择[D].成都：四川省社会科学院，2011.

[6]刘博.基于纯电动汽车的制动能量回收系统的研究与实现[D].北京：清华大学自动化系，2004.

[7]杨祖元，秦大同，孙冬野.电动汽车动力传动系统参数设计及动力性仿真[J].重庆大学学报：自然科学版，2002，25(6)：19-22．

[8]李建，温立志.汽车测试工况研究[J]．天津工程师范学院学报，2009，19(1)：40-43．

[9]姜海斌.纯电动车整车控制策略及控制器的研究[D].上海：上海交通大学，2010.

[10]姚帅，王伟涛，郑建，等.Cruise仿真分析在电动汽车整车性能开发中的应用[C]//第九届河南省汽车工程技术研讨会论文集，郑州：河南省汽车工程学会，2012：309-311.

Design and research of power system form icro electric vehicle

YANG Tao，LIZhe-kun，WANG Zhi-jun，HAN Zi-wei
(Faculty ofMechanical and Electrical Engineering，Kunming University ofScience and Technology，Kunm ing Yunnan 650500，China)

Am icro electric vehicle was used as the research object，and the parameters of the electric motor，the battery and the transm ission ratio of the transm ission system were matched w ith the theoretical calculation and engineering analysis.The simulation models of battery，electric motor，transm ission system and body of the electric vehicle were builtby using AVL cruise.At the same time，the acceleration performance，maximum speed，maximum climb gradientand driving range were researched.The simulation analysis of the energy feedback controlsystem of the braking was carried out.The simulation results show that the parameters of the power system of the m icro electric vehicle are reasonable.Itprovides a reference for the research on the transm ission system and promotes the developmentofelectric vehicles.

electric vehicle;power system;parametermatching;modeling and simulation;AVL cruise

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1441-03

2015-12-04

国家自然科学基金资助项目(51168020)；红云红河集团技术开发资助项目(2012GY08)

杨涛(1989—)，男，山东省人，硕士生，主要研究方向为机电系统设计及控制技术等。

李浙昆(1957—)，男，云南省人，教授，博士生导师，主要研究方向为机电系统设计及控制技术、设备性能分析与评价等。