电动汽车动力系统的建模与性能仿真
苟亚楠
中国，枣庄，枣庄大学机电工程学院 277160， hyynan 2163.com
摘要：本文根据车辆的动力系统的特性评价指标，并结合电动汽车的性能要求，分别对电机的参数、传动比的参数以及电池的参数进行选择。在ADVISOR软件中建立相应的车辆模型，对汽车动力性能进行仿真分析。研究结果表明，本文中所选的参数符合性能要求，对车辆动力系统进行的匹配合理。
关键词：电动汽车，动力系统，仿真
1.引言
现如今，全球汽车工业正面临着金融危机和能源环境问题的巨大挑战，因此，大力发展电动汽车，实现汽车动力能源系统电气化，促进传统汽车工业的战略转型，已经在世界范围内形成了广泛的共识。电动汽车由车辆动力提供能量，由汽车电机进行驱动。纯电动汽车则是以电机代替燃油机，仅由电动机驱动，没有配备自动变速器。目前，在全世界范围内电动汽车的发展还没有工业化和规模化的条件，主要是因为电池系统和动力集成系统是制约其发展的两大技术瓶颈[1，2]。本文对电动汽车动力传动系统的参数选型和匹配进行了研究，对电动汽车动力传动系统进行了动力性能仿真，仿真结果验证了参数匹配的合理性。
2.车辆模型与动态性能要求
本文所研究的电动汽车由夏利轿车改装而来，配备有独立的双电机驱动方式，采用前轮转向、后轮驱动的底盘布置方式。电力传动系统结构如下图1所示。独立双电机驱动电动汽车的主要参数和动力性能要求见下文表1[3]。
图1. 独立双电机驱动电动车动力传动系统结构
表1. 独立电机驱动电动汽车的主要参数和性能要求
|
车辆参数名称 |
参数值 |
|
前后轮距（mm） |
1380 |
|
轴距（mm） |
2340 |
|
驱动轮半径（mm） |
260 |
|
整车质量（kg） |
1200 |
|
最小转弯半径（mm） |
4800 |
|
质心高度（mm） |
550 |
|
电机 |
永磁电机 |
|
最高车速（km﹒h-1） |
ge;80 |
|
行车里程（km） |
ge;100 |
|
加速能力（s） |
0~50km/h:le;10 50~80km/h:le;15 |
|
滚动阻力系数 |
0.016 |
|
空气阻力系数 |
0.34 |
|
迎风面积（m2） |
2 |
3.动力传动系统参数的选择
3.1电机参数的选择
电机的输出特性曲线如下图2所示，输出特性公式为
（1）
其中：T表示电机转矩；Pn表示电机额定功率；n表示实际电机转速；表示额定电机转速。
由图中可以得出：当电机实际转速小于电机额定转速时，输出转矩将保持恒定，功率与转速成正比；当实际转速高于额定转速时，输出转矩随着转速的增加而减小，输出功率保持恒定。
图2. 电机输出特性曲线 图3. 电池充电曲线
电动汽车动力性能的三个主要评价指标：最高车速、加速时间、最大爬坡度[4，5]。电动汽车的电动机作为汽车的动力源，其额定功率由车辆最高行驶速度的90%计算。额定功率的表达式为
（2）
其中：Pn表示电机的额定功率，m表示整车质量，g表示重力加速度，其值大小为9.8m/s2，f表示滚动阻力，CD表示风阻系数，A表示迎风面积，Vmax表示车辆的最大速度，表示机械传动的效率，其值的大小为0.9。
根据上文中表1中电动汽车的相关设计参数可以计算出，电机的额定功率值为15KW。
本文设计的电动汽车采用固定齿轮传动的方式，测量电机的峰值功率就可以采用原地加速测量所需的功率，该功率即为峰值功率。峰值功率的表达式为
（3）
其中：表示在加速结束需要功率，V表示在加速结束需要速度，T表示加速的时间，其值大小为10s。根据上式计算可得，的值是30KW。
3.2传动比参数的选择
传动比参数的选择必须满足车辆的性能要求，既要保证电动汽车具有最大的爬坡度的需求，又要保证其最大速度的需求[6]。表达式为
（4）
其中：i表示传动比，Nmax表示电机的最大转速，表示在最大速度是受到的阻力，表示最大坡度受到的阻力。由上式计算表明，i的值大小为7。
3.3电池的选择
电池的能量决定了电动汽车的续航里程。它是反映电池价值的最重要的参数，也是制约电动汽车产业发展的主要因素之一。锂电池因其有着使用寿命长、能量密度高、重量轻、体积小、绿色环保等一系列优点和普及度而成为目前的最佳选择。电动汽车的锂电池参数的选择如下：电池容量为160安培小时，额定电压为96伏，电池的数量为1，电池的质量为200公斤。电池的充电曲线图如上文中图3所示。
3.4整车模型的建立
电动汽车采用Advisor软件建模，其中包括电机模型、电池模型、传动系统模型、驱动系统模型，将电机转矩、转速、传动比等参数均输入系统。该模型的构建如下图4所示。
图4. 电动汽车仿真模型
4.车辆动力性能仿真分析
根据车辆的动力系统的传输参数以及仿真模型，在仿真软件ADVISOR 2002 中进行设置。车辆需要在联合国欧洲经济委员会汽车法规（ECE）的典型工况下工作，动态模拟结果见下表2。由表中的结果可知其验证了性能的要求。
表2. 动态模拟结果
|
动力性能参数 |
参数值 |
|
最高车速（km﹒h-1） |
118 |
|
最大爬坡度（%） |
25% |
|
0-50（km﹒h-1）加速时间（s） |
7.6 |
|
50-800（km﹒h-1）加速时间（s） |
11.2 |
在最大加速度的情况下，速度的变化曲线为下图5所示。从图中可看出，电动汽车的最高行驶车速可以达到180公里/小时，该结果满足性能要求。
图5.电动汽车的速度变化曲线 图6. 电动汽车的坡度曲线
电动汽车的坡度斜率曲线，如上图6所示，从图中我们可以看到，最大爬坡的能力是25%，而时间是接近100秒。当坡度达26%，从图中的曲线可以看出，车辆几乎无法工作。该结果符合汽车的爬坡能力的要求。
电池的最大输出功率曲线如图7所示。根据最大输出功率公式，对锂电池在不同温度和电池荷电状态（SOC）条件下进行测试，最大输出功率曲线如下图所示。
图7.电池最大输出功率曲线
总结
本文利用ADVISOR软件对电动汽车建模进行了仿真，利用仿真分析了动态性能，其结果表明参数设计满足性能要求。此外，本文在固定传动比条件下进行了研究，得到不同传动比对动力性能也有很大影响的结论。
电动汽车动力传动系统的优化匹配
张盼，陈勇，林木一，马斌
北京信息科技大学，北京电动汽车协同创新中心，中国，北京100192，海淀区，清河，小营东路12号
摘要：本文将目标车辆动力传动系统的最优匹配问题表示为非线性约束优化问题，依据最大爬坡度和续航里程分别建立了该优化问题的动力性目标函数和经济性目标函数。另外，本文采用模拟退火遗传算法（SAGA）求解优化问题。为了评估优化动力总成对整车性能的影响，在CRUISE软件中建立了汽车的仿真模型并进行优化，并通过试验结果得到了验证。这有助于提高车辆的动力性能，降低车辆的能耗并提高车辆的续航里程。
关键词：电动汽车动力总成；参数匹配与优化；建模与仿真
专业名称：
Ib 电动机的基本速比（-）
[imax] 最大爬坡能力要求（-）
S 在新欧洲标准行驶循环的行驶里程（km）
[SNEDC] 在新欧洲标准行驶循环的测试范围要求（km）
Tn 在新欧洲标准行驶循环所需要的时间（s）
Uc 爬坡速度（km/h）
[Umax] 最大速度要求（km/h）
控制器的效率（-）
电机的效率（-）
传动系统的效率（-）
惩罚因子（-）
1.引言
电动汽车以其噪音低、污染小、零尾气排放等特点，已经成为了现如今应对环境污染、能源安全和矿物燃料消耗等挑战的重要方法[1，2]。然而，电动汽车的发展和普及受到电动汽车本身充电时间长、行驶距离短等缺陷的严重限制。电动汽车的动力系统就是产生动力并将其传递到路面的主要部件，其中包括电池组、电动机、变速箱、传动轴、主减速器和差速器。电动汽车的续航里程取决于电池组的电压和能量、变速器的传动比和数量、电动机的功率和主减速器的最终传动比。动力系统的传动系不仅要满足规定的行驶循环的要求，还要有足够的动力性能。动力系统总成的主要参数是相互影响和制约的，所以很难确定这些参数。迄今为止，许多的研究者都致力于研究电动汽车动力系统。解决电动汽车动力传动系统的最佳匹配有几种方法。在文献3-7中研究人员只重视电动汽车动力总成各个零部件的优化。本文采用综合优化方法确定目标车辆动力传动系各参数，以满足不同的要求。利用所建立的仿真模型分析和评价了优化动力总成对整车性能的影响。
2.优化方法与仿真模型
2．1．动力总成优化匹配
为实现电动汽车动力系统总成的优化，本文将一个双速变速箱应用于目标车辆中，优化变量如下所示。
（1）
动态目标函数是由目标与实际最大爬坡能力要求的绝对值之间差的绝对值确定的。
（2）
然后，
经济目标函数是由目标和实际的驾驶范围新欧洲行驶循环（NEDC）下的绝对值之间的差异决定的。
（3）
然后，
加速时间的约束条件用[t1]表示从 0到50公里每小时的加速时间和[t2]表示 50公里每小时到80公里每小时的加速时间来约束。
(4）
（5）
最大速度受到了最小齿轮比、基本速率比和最大速度的限制。
（6）lt;
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