杨胜兵　宋鹏飞　毛冲冲

(武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1)　武汉　430070)　(汽车零部件技术湖北省协同创新中心2)　武汉　430070)



新型双电机分时独立驱动的纯电动汽车仿真分析

杨胜兵1,2)宋鹏飞1,2)毛冲冲1,2)

(武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1)武汉430070)(汽车零部件技术湖北省协同创新中心2)武汉430070)

在传统纯电动汽车的基础上提出了一种新型双电机分时独立驱动的纯电动汽车，对电机、电池，以及传动系统进行参数匹配设计，采用CRUISE/SIMULINK软件联合搭建新型机构的纯电动汽车整车模型和传统机构的纯电动汽车整车模型.对整车性能仿真，通过理论对比计算，验证该方法的可行性；通过新型结构的纯电动汽车与传统结构的纯电动汽车仿真结果对比分析，得到性能的优缺点.

双电机；纯电动汽车；CRUISE/SIMULINK

0　引　　言

随着我国汽车保有量的急剧增加，能源日益枯竭，环境污染日趋严重，新能源汽车的研发得到了广泛的重视.纯电动汽车是目前解决能源危机和环境污染最具潜力和最成熟的新能源汽车之一，但到目前为止，市场上的纯电动汽车整车动力性能不佳、续航里程达不到使用要求，不能满足人们的生活及生产需求，因此还需要对纯电动汽车的结构进行优化，提高整车动力性能及续航里程.徐达伟等[1-2]基于CRUISE对纯电动客车进行了主驱电机、传动系参数匹配优化，朱鹏飞等[3-5]对纯电动轿车传动系、动力电池进行参数匹配优化，刘小飞等[6-8]分别研究了纯电动车和混动动力汽车的整车控制策略.另外，武汉理工大学黄妙华教授提出了双电机四驱纯电动汽车的结构，但并未进一步进行仿真和试验研究.文中在传统电动汽车的基础上提出了一种新型双电机分时独立驱动的纯电动汽车，并基于CRUISE对其进行仿真分析.

1　新型双电机电动汽车原理

以某一电动轿车为原型，对其进行了结构上的创新改进及建模仿真分析.

图1为传统单电机电动汽车原理图，一般为前轮驱动，主要包括电池、电机、离合器、变速器、主减速器/差速器.

图1　传统电动汽车原理图

图2为新型双电机分时独立驱动的电动汽车原理图，在原来传统电动汽车加装了一个电机和一套传动系统，其中传动系统减少了变速器.基本工作原理为：电动汽车在低速行驶时，感应电机断电，离合器1分离，离合器2结合，永磁同步电机工作，带动后轮驱动车辆行驶；当车速大于某一值时，永磁同步电机停止工作，离合器2分离，离合器1结合，感应电机工作，并带动前轮驱动汽车行驶.

图2　新型双电机电动汽车原理图

相比传统电动汽车，新型双电机分时独立驱动的电动汽车的优点为：(1)低速时同步电机工作，高速时感应电机工作，有效避开了感应电机低转速效率低的问题，提高了整车经济性；(2)低速时后轮驱动，容易转向过度，提高了整车的操控性和爬坡能力；高速时前轮驱动，容易转向不足，提高了整车的稳定性；(3)汽车前后轴质量分配更合理，提高了整车的制动性能和操纵性以及轮胎的使用寿命；(4)双电机分时独立工作，避免了2个电机同时工作时转速上的精确匹配，降低了电机控制器的控制要求及开发成本.缺点为整车质量、成本增加.

综上可知，新型双电机独立分时驱动的电动汽车具有很多传统电动汽车不具有的优点，虽然整车质量和成本有所增加，但由于传动系统去掉了变速器，所以整车质量和成本增加幅度较小，对整车性能及成本影响不大.

2　动力参数匹配计算

新型双电机独立驱动的电动汽车和传统单电机电动汽车整车具体参数和性能指标见表1～2.

表1　新型电动汽车整车基本参数和性能指标

表2　传统电动汽车整车基本参数

2.1驱动电机参数匹配

驱动电机是电动汽车的核心部件，它的性能直接影响到了电动汽车动力性和经济性，因此有必要对电机的基础参数(功率、转矩、转速)进行匹配计算.

2.1.1感应电机参数匹配

感应电机只有在汽车车速大于某一预设值(本车型预设值为51 km/h)时，才介入工作，因此只需考虑其峰值功率和最高转速满足最高车速和51～100 km/h的加速时间即可.

依据最高车速确定电机峰值功率，计算公式为

(1)

在加速末时刻，电机输出最大功率，因此在61～100 km/h的加速过程中最大功率的计算公式为

(2)

据最高车速确定电机最大转速，计算公式为

(3)

式中:umax为最高车速；u1为100 km/h；ηt为传动系机械效率；m为汽车整备质量；u2为61 km/h；f为路面滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积；t1为51～100 km/h的加速时间；δ为汽车旋转质量换算系数，一般取1.08；dt为迭代步长，通常取为0.1 s.

将表1中的数据代入式(1)～(3)进行计算，得：Pmax1=39.3 kW，Pmax2=48.4 kW，umax=7 501 r/min，从而得 感应电机的最高功率Pmax=max{Pmax1，Pmax2}，考虑到实际运行中的损耗和效率问题，电机的峰值功率取为55 kW，最高转速取为8 000 r/min.

2.1.2永磁同步电机参数匹配

永磁同步电机只在汽车低速行驶时工作，因此只需考虑其峰值功率和最大转矩、最大爬坡度和0～61 km/h的加速时间即可.

依据最大爬坡度确定电机峰值功率，计算公式为

(4)

在加速末时刻，电机输出最大功率，因此在0～51 km/h的加速过程中最大功率的计算公式为

(5)

最大爬坡度确定电机最大扭矩，计算公式为

(6)

(7)

式中：αmax为最大爬坡度；ua为61 km/h；u2为20 km/h;t2为0～61 km/h的加速时间；i2为主减速器2的传动比.

将表1中的数据代入式(4)～(7)进行计算，得：Pmax3=34 kW，Pmax4=58.3 kW，Tmax=279.9 N·m，从而得 感应电机的最高功率Pmax=max{Pmax3，Pmax4}，考虑到实际运行中的损耗和效率问题，电机的峰值功率取为60 kW，最大转矩取为280 N·m.

2.2主减速器传动比的选定

2.2.1前主减速器传动比的选取

当电动汽车车速大于预设值(51 km/h)时，感应电机工作，整车为前驱模式，故前主减速比直接影响了电动汽车的最高车速，即前主减速比由感应电机的最大转速和整车最高车速确定，计算公式为

(8)

式中：nmax=8 000 r/min，umax和r可查表1，得：i2≤6.05,综合考虑选取i2=5.58.

2.2.1后主减速器传动比的选取

由前述可知，当电动汽车车速小于预设值(51 km/h)时，永磁同步电机工作，整车为后驱模式，故后主减速比直接影响了电动汽车的最大爬坡度，即前主减速比由永磁同步电机的最大扭矩和整车最大爬坡度确定，计算公式如下.

(9)

将各参数代入可得：i1≥5.61，综合考虑取i2=6.58.

2.3电池参数选择

在综合考虑各种锂电池的发展情况、性能、安全性和一致性等因素的情况下，选取锂离子电池作为动力电池，其基本参数为单体额定电压3.3 V，单体标称容量10 A·h.鉴于所选取的永磁同步电机和感应电机的正常工作电压为320 V，初步确定电池组的总电压为320 V，根据计算，需要串联的电池数目为320/3.3=97个.

根据车辆 50 km/h匀速行驶280 km所消耗的能量计算电池组需并联的电池串个数.此时所需功率为

(10)

电机功率为

(11)

式中：ηm为电机效率，此处取0.9.

汽车所需要消耗的能量为

(12)

式中：S为设计续驶里程，取为160 km/h；ε为电池组的放电深度，取为0.85；W为电池组的放电量.

电池组容量的表达式为

(13)

式中：U为电池组的平均工作电压.

将数据代入式(10)～(13)可得C=58.5 A·h，故选定电池的成组方式为5并97串.

3　联合仿真模型建立

采用CRUISE与Simulink软件的联合仿真建模方法，两个软件都是采用模块式的建模方法.纯电动汽车整车模型由 CRUISE 软件完成建模，建模便捷，模型精度高.而整车控制器则由Simulink开发，即控制策略由该软件进行建模实现.联合仿真平台建模的核心是以CRUISE车辆模型的建模为主，通过软件本身提供的Simulink接口进行联合仿真.

3.1建立整车仿真模型

文中提出的新型双电机分时独立驱动的纯电动汽车是在传统纯电动汽车的基础上加装了一个电机和一套传动系统，因此将建立2个整车模型，即传统纯电动汽车整车模型和新型纯电动汽车模型，以便进行整车的动力性和经济性对比.其中，传统纯电动汽车的整车整备质量和满载质量都比新型纯电动汽车少150 kg，传统电动汽车的驱动电机、主减速器参数、动力电池的参数与新型纯电动汽车前轮驱动电机、主减速器1、动力电池的参数一致.

根据纯电动汽车的结构原理，建立两个整车模型，见图3～4.正确连接机械连接和信号连接，然后设置各个模块的参数，最后设定计算任务.新型纯电动汽车的整车控制策略由于主要是针对动力性和经济性进行仿真，所以需要设定的计算任务有：循环行驶工况(NEDC)、50 km/h匀速行驶续驶里程，最高车速、最大爬坡度计算和加速性能计算.

图3　新型纯电动汽车整车模型

图4　传统纯电动汽车整车模型

3.2整车控制策略

整车控制策略是整车控制器最重要的控制部分，对整车的性能有着巨大的影响，如何使得车辆在任何时刻获得最佳的转矩控制，是整车控制策略的重点，同时也是整车控制的难点.本新型双电机分时独立驱动的纯电动汽车的整车控制策略由Simulink软件进行建模实现，并转化为DLL文件，与CRUISE整车模型建立联合仿真，如图3所示中的Matlab DLL模块.其架构见图5.

图5　整车控制策略流程图

4　仿真结果分析

新型双电机分时独立驱动电动汽车和传统单电机电动汽车的全负荷加速对比图见图6，爬坡度对比图见图7.

图6　电动汽车全负荷加速对比图

图7　电动汽车爬坡度对比图

由图6可知，新型双电机纯电动汽车从0～100 km/h的加速时间为10.5 s，最高车速为179 km/h，均满足设计要求；而传统单电机电动汽车的百公里加速时间为11.7 s，最高车速为159 km/h.可知，新型电动汽车的百公里加速时间和最高车速均优于传统电动汽车.

由图7可知，新型电动汽车的最大爬坡度为42.1%，爬坡度随着车速的增加而减小，在车速为50 km/h时，爬坡度会出现小幅上升后平稳，这是因为此时由后轮驱动变为前轮驱动的原因.可以看出新型电动汽车的最大爬坡度要优于传统电动汽车的35%.

图8为新型电动汽车在NEDC循环工况下距离、车速、加速度随时间的变化.整个过程平均车速为33.6 km/h，最大加速度1.1 m/s2.在经过多个NEDC循环工况后，新型电动汽车SOC变化见图9，续航里程为160 km，满足设计要求.

图8　新型电动汽车NEDC循环工况图

图9　新型电动汽车NEDC工况下SOC变化图

5　结 束 语

在传统纯电动汽车的基础上提出了一种新型双电机分时独立驱动的纯电动汽车，对电机、电池以及传动系统进行参数匹配设计，采用CRUISE/SIMULINK软件联合搭建新型机构的纯电动汽车整车模型和传统机构的纯电动汽车整车模型，然后对整车性能仿真，通过理论对比计算，验证该模型的正确性；通过新型结构的纯电动汽车与传统结构的纯电动汽车仿真结果对比分析，比较了新型电动汽车性能的优缺点，利用 Cruise 软件建模仿真可以缩短研发周期，节约研发成本，减少车辆在设计上的盲目性.

[1]徐达伟，回春.基于Cruise的纯电动客车仿真分析[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2015,37(2):183-186.

[2]王少凯．基于Cruise软件的纯电动城市客车的建模与仿真[J]．客车技术与研究,2011(2):10-12．

[3]朱鹏飞，赵文杰，许宏云．基于CRUISE纯电动汽车匹配计算与仿真[J]．新能源汽车，2012(9):11-15．

[4]刘新．纯电动汽车动力参数匹配与仿真研究[D]．重庆:重庆交通大学，2013．

[5]景柱，符纯明，干年妃.纯电动汽车动力传动系统的匹配与仿真[J].汽车工程学报,2013,3(1):54-58.

[6]刘小飞.纯电动轿车动力系统参数匹配及电机控制策略研究[D].长春:吉林大学，2011．

[7]谢星,周苏,王廷宏,等.基于Cruise/Simulink的车用燃料电池/蓄电池混合动力能量管理策略仿真[J].汽车工程,2010,32(5):373-378.

[8]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．

Simulation Analysis of New Time-sharing Independent Double Motor Drive Electric Vehicle

YANG Shengbing1,2)SONG Pengfei1,2)MAO Chongchong1,2)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)2)

Based on the traditional pure electric vehicles, a new dual-motor drive time-sharing independent pure electric car is put forward to conduct parameters matching design of the motor, battery and transmission system. This paper builds a new type pure electric vehicle model and a traditional pure electric vehicle model by the use of CRUISE/SIMULINK software. The vehicle performances of the two models are simulated and compared with theoretical calculations to verify the feasibility of the new dual-motor drive time-sharing independent pure electric car. The advantages and disadvantages of the new vehicle are obtained by perform the comparative analysis of the simulation results of the new structure of pure electric vehicle and traditional structure of pure electric vehicle.

double motors; pure electric vehicle; CRUISE/SIMULINK

2016-05-30

U462.22

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.017

杨胜兵(1973- ):男，博士后，教授，主要研究领域为新能源汽车、电机控制