基于Cruise的純電動物流車動力系統仿真

雷　騰，許同盟，李　鋒，楊萬國，王　強，焦亞男

（1.山東大學機械工程學院，山東 濟南　250000；2.山東五征集團有限公司，山東 日照　276800）

基于Cruise的純電動物流車動力系統仿真

雷騰1，2，許同盟1，2，李鋒2，楊萬國2，王強2，焦亞男2

（1.山東大學機械工程學院，山東 濟南250000；2.山東五征集團有限公司，山東 日照276800）

基于Cruise軟件的仿真分析來模擬城市工況，對純電動物流車動力系統的關鍵參數進行分析，驗證設計的合理性。

純電動物流車；動力系統；仿真分析；Cruise

近年來霧霾侵襲導致全國大部分地區PM2.5嚴重爆表，環境污染成為人們關注的焦點，機動車尾氣也是城市環境污染來源之一。隨著國家對排放要求的升級，綠色交通的概念開始推廣，城市物流車擔負著城市運輸的重任，自然對排放等級要求更加嚴格。開發一款純電動物流車型來代替燃油車，不僅為城市環境帶來改善，而且復雜的城市交通情況更能發揮純電動汽車的優勢。

1　純電動物流車整車參數及性能指標要求

城市物流運輸車型必須要有良好的動力性能，才能適合城市道路的運輸工況。本文設計的純電動物流車型性能、參數指標見表1和表2。

表1　純電動物流車性能指標

2　動力系統參數匹配設計

純電動汽車的動力性主要取決于動力及傳動系統參數匹配，包括動力電池、驅動電機及傳動系統控制器等部件［11］，其評價指標最常用的參數有：最高車速、最大爬坡度和加速時間［22］。作為一款城市市內物流運輸車型，對車速和加速時間要求比較高，需要選擇合適的驅動電機。所選驅動電機的功率越大，整車的動力性能也就越好，但還要兼顧到產品的使用經濟性和開發成本等因素。因此，針對設計目標合理的匹配電機參數，所選用的驅動電機功率應能滿足電動汽車對最高車速、最大爬坡度以及加速時間的要求［33］。需要確定其額定功率PPee、峰值功率PPmmaaxx、最大轉矩TTmmaaxx等參數。

表2　純電動物流車基本參數

2

2.11功率計算

11）當汽車以某一速度vvaa行駛在一定坡度ii上時，所需功率為

式中：f——滾動摩擦力系數；m——整車質量；CD——風阻系數；A——迎風面積；va——車速；g——重力加速度；η——傳動效率；α——坡度 （角度），α=arctani。根據我國相關公路工程技術標準中對道路縱向坡度的要求，可取適量的道路坡度i進行額定功率計算Pi。

2）根據整車性能需求，滿載情況下，最高車速行駛在一定坡度時，可得電機最大功率Pj。

3）加速時間功率驗證，根據整車性能參數，0—50km/h加速時間為10s，則根據公式可以計算出電機功率為

式中：v——加速末的速度；δ——旋轉質量轉換系數。

驅動電機的最大功率要同時滿足不同工況下的需求，即Pmax≥max｛Pi，Pj，Pc｝，因此，綜合以上各種情況的考慮，驅動電機的額定功率為30 kW，最大功率取值Pmax=60kW。

計算出電機的額定轉矩。根據步驟1）～4）初步選定電機的參數見表3。

表3　電機參數

2.2電機減速傳動比的確定

1）由電機的最高轉速和最高行駛車速確定最小傳動比

式中：nmax——電機最高轉速，r/min；vmax——電動汽車最高車速，km/h；r——車輪滾動半徑。

2）最大傳動比由最大爬坡度計算

最大爬坡度為25%，帶入相關數值，取得傳動比的數值。

2.3動力電池包匹配

在此項目要求中，要求60km/h等速能夠達到里程240km。

在車速60km/h速度運行下電機消耗的功率為

總續航里程的耗電量為Ea=Pel×t。

根據電機的工作效率η1、電池的放電率η2，能量守恒得出電池包的能量E=Ea/（η1×η2），整車高壓平臺為380V，可計算出電池額定容量C=151Ah。

3　AVL-Cruise建模與仿真

3.1仿真模型的建立

Cruise軟件提供了一種圖形化的交互環境，將汽車的各個零部件模塊化，根據研究的需要添加相應的控制模塊，并正確連接數據總線［4］。整車建模過程中，將相關的模塊調用，搭建整車架構，根據整車參數對汽車的動力性、經濟性進行模擬仿真。純電動物流車整車模型結構如圖1所示。

圖1　純電動商用車Cruise模型

3.2仿真結果分析

本文對研究車型進行了車輛加速性能、爬坡性能、等速續航里程、NEDC（歐洲循環工況）等進行了模擬分析，具體分析結果如下。

1）加速性能分析純電動物流車在城市道路運輸中，需要不斷地起停、加減速。因此，對整車動力性能的加減速和最高車速要求比較高。本文設計的這款城市純電動物流車型，要求0—50km/h的加速度設計目標為≤10s。通過Cruise軟件的綜合分析，整車加速性能如圖2所示，0—50km/h的加速時間為8.2s，符合最初的設計目標。

圖2　0—50km/h加速性能曲線圖

2）最高車速分析城市物流車主要負責城市內的物流運輸，對整車速度也有一定的要求，結合中國目前城市物流車型的情況，對整車的最初設計目標為滿載的情況下車輛速度≥85km/h。通過Cruise軟件的分析，如圖3所示，在整車滿載的情況下，車輛的最高速度可達91km/h，滿足本文最初的設計目標。

圖3　最高車速曲線圖

3）爬坡性能分析汽車的最大爬坡度作為汽車動力性能的一個重要指標［5］，城市物流車對整車爬坡度性能指標也有一定的要求。本文最初的設計目標為≥25°。通過Cruise軟件的綜合分析，車速在25km/h時可達到的最大爬坡度為28°，滿足車輛的性能需求，結果如圖4所示。

圖4　爬坡性能曲線圖

4）NEDC循環工況下整車性能分析 如圖5所示，循環工況下，整車的車速與瞬態電量消耗曲線顯示，整車的動力匹配在滿足NEDC工況的要求下，整車耗電量SOC變化比較平穩，瞬時起停對電池電量的消耗也符合初期的預定目標。低車速運行時，SOC下降比較平緩，隨著車速的增大，電機功率的加大，SOC下降比較明顯。

圖5　NEDC工況曲線圖

4　結論

本文針對城市運輸工況的特點開發設計一款純電動物流車，對其動力系統的關鍵參數進行設計計算，然后運用Cruise軟件進行建模和仿真分析。通過對整車的加速性能、爬坡性能、最大車速和NEDC工況的模擬分析，根據最后的仿真結果來驗證設計的合理性。仿真結果顯示，整車的動力系統滿足設計需求，能夠達到設計目標。運用Cruise軟件仿真分析，可以進一步驗證設計的可行性與準確性。

［1］楊程，杜振新.基于某款電動汽車動力系統計算與仿真分析［J］.科技導刊-電子版 （上旬），2015（7）：164-165.

［2］張文廣，張振東，蘭志波，等.應用CRUISE的商用車傳動系統匹配研究［J］.現代制造工程，2015（12）：34-112.

［3］余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［4］劉振軍，趙海峰，秦大同.基于CRUISE的動力傳動系統建模與仿真分析［J］.重慶大學學報：自然科學版，2005，28（11）：8-11.

［5］牛明強，郭興眾，孫駟洲，等.基于CRUISE的純電動汽車動力系統參數匹配與仿真［J］.安徽工程大學學報，2014（3）：49-53.

（編輯楊景）

Power System Simulation of Pure Electric Carrier Vehicle Based on Cruise

LEI Teng1，2，XU Tong-meng1，2，LI Feng2，YANG Wan-guo2，WANG Qiang2，JIAO Ya-nan2
（1.School of Mechanical Engineering，Shandong University，Ji'nan 250000，China；2.Shandong Wuzheng Group Co.，Ltd.，Rizhao 276800，China）

In this paper，simulation is conducted for the city driving situation based on Cruise software，in which key parameters of pure-electric power system is analyzed，and verified for feasibility.

pure electric carrier vehicle；power system；simulation analysis；Cruise

U469.72

A

1003-8639（2016）09-0001-03

2016-03-21；

2016-06-12

雷騰 （1987-）男，碩士，工程師，研究方向為新能源汽車設計、整車開發工作。