电动汽车动力匹配设计规范(2).doc

电动汽车动力匹配设计规范(2)

27
2020年4月19日
文档仅供参考，不当之处，请联系改正。
XXXXXX
Q/XXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXX-XX -XX 发布 XXXX-XX -XX 实施

XXXXXXXXXX有限公司企业标准
电动汽车动力匹配设计规范

XXXXXXXX有限公司 发 布

目 次

前言 Ⅱ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语和定义 1
4 技术要求 3
4.1 评价指标 3
4.2 计算方法 4
4.3 基础数据收集和输入 10
4.4 计算任务和匹配优化 10
4.5 计算结果输入及数据分析 13

前 言

我公司缺少关于动力匹配方面的设计规范，给整车动力性、经济性方面的计算造成障碍。自本规范下发之日起，本文件将指导后续工作中动力性、经济性的计算。
本标准按照GB/T 1.1— 给出的规则起草。
本标准由XXXX提出。
本标准由XXXX负责起草。
本标准主要起草人：XXX
本标准于XXXX年XX月首次发布。

电动汽车动力匹配设计规范

1 范围
本规范规定了电动汽车动力匹配设计规范的术语和定义、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存。
本规范适用于XXXX整车动力性能匹配与计算。
2 规范性引用文件
下列文件中的条款经过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。
GB/T 12534-1990 汽车道路试验方法通则
GB/T 12544- 汽车最高车速试验方法
GB/T 12543- 汽车加速性能试验方法
GB/T 18386- 电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法
GB/T 19596- 电动汽车术语
3 术语和定义
GB/T 19596中界定的术语和定义适用于本标准。下列术语和定义适用于本文件。
3.1
续驶里程
电动汽车在动力蓄电池完全充电状态下，以已定的行驶工况，能连续行程的最大距离，单位为km。
3.2
能量消耗率
电动汽车经过规定的试验循环后动力蓄电池重新冲带你至试验前的容量，从电网上得到的电能除以行驶里程所得的值，单位为Wh/km。
3.3
最高车速
电动汽车能够往返各持续行程3 km距离的最高平均车速。
3.3
30分钟最高车速
电动汽车能够持续行驶30 min以上的最高平均车速。
3.4
加速能力V1至V2
电动汽车从速度V1加速到速度V2所需的最短时间。
3.5
爬坡车速
电动汽车在给定坡度的坡道上能够持续行驶1 km以上的最高平均车速。
3.6
电动汽车整备质量
包括车载储能装置在内的整车整备质量。
3.7
电动汽车试验质量
电动其策划整车整备质量与一试验所需附加质量的和。
3.8
额定功率
在额定条件下的输出功率。
3.9
峰值功率
在规定的持续时间内，电机允许的最大输出功率。
3.10
额定转速
额定功率下电机的最低转速。
3.11
最高工作转速
相应于电动车最高设计车速的电机转速。
3.12
额定转矩
电机在额定功率和额定转速下的输出转矩。
3.13
峰值转矩
电机在规定的持续时间内允许输出的最大转矩。
3.14
本规范所引用的符号及意义
本规范所引用的符号及意义如表1所示。
表1 本规范所引用的符号及意义
代号
物理意义
单位

电动机额定功率下的转速
r/min

满载时车轮滚动半径
m

车速
km/h

整车质量
kg

重力加速度
m/s2

整车重力
N

迎风面积
m2

电动机最大扭矩
N·m

电动机功率
kW

电动汽车驱动力
N

空气阻力
N

坡度阻力
N

加速阻力
N

滚动阻力
N
续表（1）
代号
物理意义
单位

坡度

动力因数

主减速器传动比

传动系机械效率

滚动阻力系数

空气阻力系数

道路附着系数

阻力功率
kW

4 原理及依据
4.1 评价指标
4.1.1 整车动力性评价指标
汽车的动力性是指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的,所能达到的平均行驶速度。从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发，汽车的动力性主要可由以下三个指标来评定。
4.1.1.1 最高车速
最高车速Umax是指在水平良好的路面上车辆能达到的最高行驶速度。它仅仅反映车辆本身具有的极限能力，并不反映车辆实际行驶中的平均速度。
4.1.1.2 加速性能
车辆的加速能力常见原地起步连续换档加速时间与最高档或次高档加速时间来表示。
原地起步连续换档的加速时间是指用一档或二档起步，以最大加速度按最佳换档时间逐步换至最高档，加速至某一预定的距离或车速所需要的时间。该项指标反映了汽车在各种车速下的平均动力性。
最高档或次高档加速时间是指用最高档或次高档由某一较低车速全力加速至某一高速所需要的时间。因为超车时车辆与被超车并行，容易发生安全事故，因此最高档或次高档加速能力强，行驶就更安全。
4.1.1.3 爬坡性能
车辆的爬坡能力是用满载时汽车在良好路面上的最大爬坡度imax来表示的。显然，最大爬坡度是指一档时的最大爬坡度。有些国家用车辆在一定坡道上能达到的车速来表明其爬坡能力。该项指标所反映的是车辆低速时的动力性。
现有的车辆动力性的评价指标只是反映了车辆本身具有的极限能力，在一定程度上反映了车辆动力性的好坏，但由于未与复杂的实际使用工况统一考虑，因而往往与车辆实际使用效果相差很大。
4.1.2 整车经济性评价指标
在保证动力性的条件下，汽车以尽量小的电量消耗量经济行驶的能力称为整车的经济性。整车的经济性一般见一定工况下汽车行驶百公里的电量消耗量或一定电量能行驶的里程来衡量。一般情况下，耗电经济性指标的单位为 kWh/100km，即行驶 100km 所消耗的电量。
4.1.2.1 等速电量消耗
等速行驶百公里电量消耗量是常见的一种评价指标，指车辆在一定载荷下，以最高档在水平良好路面上等速行驶 100km 的电量消耗量。测出每隔 10km/h 或20km/h 速度间隔的等速百公里电量消耗量，绘制成曲线，称为等速百公里电量消耗量曲线，用它来综合评价汽车的经济性。
4.1.2.2 加速电量消耗
加速电量消耗是指用最高档从某一车速开始全油门加速行驶500m的电量消耗量，换算成百公里电耗量。
4.1.2.3 工况法电量消耗
等速行驶工况没有全面的反映汽车的实际运行状况，是车辆行驶的一个理想状态，而车辆在实际使用过程中总会或多或少加速、减速等工况，如在市区行驶时，会频繁的出现加速、减速、怠速停车等行驶工况。因此各国都制定了一些典型的循环行驶试验工况，模拟汽车实际运行工况，并以其百公里电量消耗量来评定相应性工况的燃油经济性。许多国家对循环工况都进行了大量的研究，如欧洲的ECE循环，英国的NEDC循环，美国的UDDS循环，日本的JPN10DDS循环等。中国采用NEDC工况模拟整车电量消耗量以及经济性。
4.2 计算方法
4.2.1 人工经验计算方法
4.2.1.1 最高车速计算
（1） 电动机最高转速和传动系决定的最高车速
（1-1）
（2） 按功率平衡决定的最高车速
车辆在平直路面上匀速行驶时的阻力功率为：
（1-2）
故功率平衡方程可简化为：
（1-3）
由公式（1-1）和公式（1-3）计算结果可分析，若公式（1-1）计算车速大于公式（1-3）计算车速，则说明整车在最高车速工况下无后备功率；若公式（1-1）计算车速小于公式（1-3）计算车速，则说明整车在最高车速工况下有后备功率，故其实际最高车速取二者之中较小者。
4.2.1.2 最大爬坡度计算
（1） 地面附着性能允许的最大爬坡度
车辆行驶方程式：
（1-4）
车辆以最低档稳定速度爬坡时，即
同时爬坡时行驶速度不大，可近似认为空气阻力
因此车辆行驶方程式简化为：
按车辆在坡道上的附着条件可知：

即
然后再根据换算成最大爬坡度
（1-5）
轮胎与路面间的附着系数如表2所示。

表2 附着系数
路面
轮胎
类型
状态
高压轮胎
越野轮胎
沥青、混凝土路面
干燥
0.50～0.70
0.70～0.80
潮湿
0.35～0.45
0.50～0.60
污染
0.25～0.45
0.25～0.45
碎石路面
干燥
0.50～0.60
0.60～0.70
潮湿
0.30～0.40
0.40～0.55
土路
干燥
0.40～0.50
0.50～0.60
湿润
0.20～0.40
0.35～0.50
泥泞
0.15～0.25
0.20～0.30

（2） 动力性能允许的最大爬坡度
动力因数为： （1-6）
爬坡时Fw可忽略不计。DImax为I档的动力因数即：
（1-7）
I档时最大爬坡度按下式计算：
（1-8）
用代入整理可得：
（1-9）
然后根据，求出最大爬坡度。
由公式（1-5）和公式（1-9）计算结果可分析，若公式（1-5）计算最大爬坡度大于公式（1-9）计算最大爬坡度，则说明整车最大爬坡度受限于整车动力性能；若公式（1-5）计算最大爬坡度小于公式（1-9）计算最大爬坡度，则说明整车最大爬坡度受限于整车附着性能，故其实际最大爬坡度取二者之中较小者。
4.2.2 计算机辅助计算（cruise）
Cruise软件是奥地利AVL公司开发的用于研究车辆动力性、燃油经济性、排放性能与制动性能的高级仿真分析软件，是快速、便捷、高效的车辆动力学仿真工具。该软件真实再现了车辆的传动系模型，可用于车辆开发过程中的动力传动系的匹配、车辆性能预测等等。利用Cruise软件进行模拟计算包括四个步骤：建立车辆模型、输入各总成模型数据、定制所需计算任务和查看计算结果。
4.2.2.1 建立车辆模型
我们以XXX为例，分析整车结构和功能，使用Cruise软件建立整车仿真模型。XXXX是前轮驱动，自动变速器，驾驶室只控制加速踏板和制动器踏板。根据结构和布置形式的分析，选用模型库中的汽车模块（Vehicle）、电动机模块（Electric Macine）、电池模块（Battery H）、单级减速器模块（Single Ratio Transmission，作为主减速器）、差速器模块（Differential）、驾驶室模块（Cockpit）以及车轮（Wheel）和制动器模块（Brake）。将这些模块从车辆建模组件库中按图1所示拖入建模窗口。

图1 XXX车辆模型构建
当各子系统模型选定之后，应根据汽车配置方案和部件连接关系建立模型的物理连接，该步骤相对简单，只需用connect连接功能建立物理连接，如图2所示。传动系各部件之间有直接的物理连接关系，车轮和制动器之间也有物理连接关系，但驾驶室与动力传动系和制动系之间没有物理连接，在仿真过程中，它们之间是经过信号连接来传递信息的。

图2 XXXX车辆模型物理连接
信号连接是车辆建模过程中最关键内容之一，也有较大难度。要想正确建立汽车各子模型之间的信号连接关系，必须对汽车系统内部件之间的连接和控制关系、信息传递关系以及汽车动力学有深入的理解。如XXXX车辆模型，驾驶室（Cockpit）需要的转速信号来自于电动机（Electric Machine）的转速（Speed）；同样，制动器（Brake）需要的制动压力、电动机（Electric Machine）需要的负荷信号和周围温度（Ambient Temperature）信号都来自于驾驶室（Cockpit）。
双击建模窗口下方的彩色线条打开数据总线，如图3所示，各子模型之间的连接关系见表3。

图3 XXXX车辆模型信号连接

表3 XXXX车辆模型信号连接信息
component…requires
input information…from
component…delivering
output information
Break
Break Pressure
Cockpit
Break Pressure
Clutch
Desired Clutch Release
Cockpit
Desired Clutch Release
Cockpit
Speed
Electric Machine
Speed
Cockpit
Operation Control 0
Electric Machine
Operation Control
Cockpit
Gear Indicator
Electric Machine
Operating Mode
Electric Machine
Load Signal
Cockpit
Load Signal
Electric Machine
Ambient Temperature
Cockpit
Ambient Temperature
Monitor
Load Signal-Cockpit
Cockpit
Load Signal
Monitor
Velocity
Cockpit
Load Signal
Monitor
Torque
Electric Machine
Torque
在数据总线连接时，需要注意：input information…from中显示为蓝色的项目为必须连接的项目，电动机（Electric Machine）模块中的负荷信号（Ambient Temperature）虽然显示为黑色，但也必须进行连接。
4.2.2.2 输入各总成模型的数据
模型数据的输入有以下几种方式：手动输入数据；从已有模型中调入数据；拷贝与粘贴方式输入输出数据。
手动输入数据：双击建模窗口中的每一个组件，都会弹出一个窗口，根据需要输入每个组件的相关数据即可。
从已有模型中调入数据：例如从已有整车模型中调入发动机数据如图4。

图4 从已有模型中调入数据
拷贝与粘贴方式输入输出数据：数据能够经过拷贝与粘贴方式输入输出，这能够在Cruise内部进行，也能够与其它软件进行，比如Excel之间传输数据。
4.2.2.3 定制所需的计算任务
建模和参数输入完成之后，利用检查功能（check）来检查模型是否正确，数据输入是否完整，如果经过检查，便可进行仿真。
在仿真计算之前，要定制仿真任务。根据需要计算的内容，建立相应的文件夹，在每个文件夹下添加相应的计算任务，如图5。

图5 添加计算任务
计算任务的定义包括：计算模式、道路环境，驾驶员，测量点的定义，换档规律等等。
4.2.2.4 查看计算结果
在结果管理器messages文件夹中能够查看所定制的各计算任务的详细计算结果，也能够在各计算任务的文件夹中查看图形文件。例如：XXXX车型的计算结果如图6～图14

图6 各档最高车速

图7 各档最大爬坡度

图8 各档最大加速度

图9 原地起步加速时间

图10 直接档超车加速时间

图11 各档最大牵引力

图12 各档最大爬坡度

图13 各档最大加速度

图14 功率平衡图

4.3 基础数据收集和输入
4.3.1 动力总成参数
4.3.1.1 整车相关参数
在车辆模型中需要输入的主要参数包括：轴距、车辆质心位置、整备质量、列车总质量、迎风面积、空气阻力系数和轮胎压力。
4.3.1.2 电动机相关参数
在电动机模型中需要输入标称电压、峰值转速、外特性曲线和电机Map图（电动机厂家提供）。
4.3.1.3 电池相关参数
在电池模型中需要输入单体电芯的最大容量、初始容量百分比、标称电压、最大电压、最小电压；整个电池包是由上述电芯几并几串组成、电池的充电曲线和放电曲线（由电池厂家提供）。
4.3.1.4 单极减速器模块参数
在单极减速器模块中需要输入速比、输入惯性力矩、输出惯性力矩。
4.3.1.5 制动片模块参数
在制动片模块中需要输入制动缸面积、制动片摩擦系数、制动因子、有效半径、效率、转动惯量。
4.3.1.6 轮胎模块参数
在轮胎模块中需要输入轮胎转动惯量、轮胎摩擦系数、参考轮胎载荷、轮胎修正系数、输入轮胎型号计算轮胎的静态滚动半径和动态滚动半径。
4.3.2 车辆运行环境参数（滚阻、风阻或滑行试验数据、坡阻等）
4.3.2.1 滚动阻力系数
滚动阻力是车轮在地面上滚动时产生的阻力，主要由以下各种阻力组成：
1) 轮胎沿路面滚动时，轮胎变形所引起的阻力；
2) 路面变形所引起的阻力；
3) 路面不平整所引起的冲击阻力；
4) 轮毂轴承的摩擦阻力。
滚动阻力系数可由滑行试验测定。
滚动阻力系数也能够由经验公式计算出来：

4.3.2.2 空气阻力系数和迎风面积
空气阻力系数与车辆的造型密切相关，另外还与车身的高度以及车辆底部的平滑程度等因素有关。空气阻力系数能够经过风洞试验测得，或者经过整车滑行试验数据拟合推导出，或者经过经验选取。
4.3.3 驾驶员换挡规律
在Cruise的模拟计算中，有四种换档方式可供选择：根据最大加速度换档、根据车速换档、根据电动机转速换档和根据下一档位的电动机转速换档。
我们一般选择根据电动机转速来换挡。
4.4 计算任务和匹配优化
4.4.1 计算任务
4.4.1.1 循环工况（Cycle Run）
该任务的主要作用是计算循环工况（如NEDC等）中油耗和排放的情况。对于电动车来说就是百公里电量消耗。
4.4.1.2 爬坡性能分析（Climbing Performance）
该任务用于计算车辆的最大爬坡度。不同挡位下的最大爬坡度也能够得到。
4.4.1.3 稳态行驶工况分析（Constant Drive）
该任务用于计算稳定行驶时车辆的燃油消耗和排放性能。该任务计算每一档位下，整个发动机转速范围内车辆的性能。另一个功能就是经过优化主减速比进行理论最高车速的计算和在当前主减速比下的实际最高车速的计算。
4.4.1.4 满载全负荷加速性能（Full Load Acceleration）
1) 计算各个档位下的全负荷最大加速度；
2) 从原地起步连续换挡到最高车速的加速性能；
3) 从某一车速加速到另一更高车速的加速性能，能够选择换挡或者不换档。
4.4.1.5 最大牵引力计算（Maximum Traction Force）
计算各个档位在所有车速下的最大牵引力，该任务可用来绘制驱动力-行驶阻力平衡图、功率平衡图等。
4.4.1.6 制动/滑行/倒拖（Brake/Coast/Thrust）
该任务用于计算车辆制动性能。计算中需要定义是否换档和实际制动力。经过改变某些参数也可进行车辆滑行分析，以检验汽车模块中行驶阻力的设定是否正确。
4.5 计算结果输出及数据分析
4.5.1 输出格式及内容规范
计算完成后我们将以表格形式输出计算结果，这些内容包括：最高车速、最大爬坡度、连续起步换档加速时间、直接档超车加速时间、最高档（或直接档）等速燃油消耗值、自定义循环工况油耗等等。简单计算某种车型配置动力性和经济性结果输出见表4。
表4 简单计算结果输出模版
整车型号
参数
整备质量

最大允许总质量

电动机型号

电动机参数（额定功率/额定转速/额定转矩）

电动机参数（峰值功率/最高工作转速/峰值转矩）

单极减速器型号

单极减速器速比

动
力
性
30 min最高车速（km/h）

最大爬坡度（%）

0-50km/h加速时间（s）

50-80km/h加速时间（s）

经
济
性
NEDC工况续驶里程（km）

能量消耗率（NEDC工况百公里电耗）

4.5.2 试验数据对比分析
为了验证理论计算的准确性，同时需要进行部分配置方案试验。试验完成后，整理试验数据，对比分析试验数据和理论计算结果，编写详细的分析报告。