基于Cruise軟件某純電動物流車動力性仿真驗證

王長明，孫廷軍，左鵬進，孫鎮(zhèn)，張繼法，于志超，陳濤

（255000山東省 淄博市 山東唐駿歐鈴汽車制造有限公司 汽車研究院）

0 引言

對于傳統(tǒng)汽車帶來的能源及環(huán)境污染問題，開發(fā)和研究純電動車是解決問題的重要手段之一[1]。本文以我公司開發(fā)的某款純電動物流車為研究對象，依據(jù)市場需求，確定整車開發(fā)需求參數(shù)后，通過理論計算完成其驅(qū)動電機參數(shù)、傳動系速比的匹配與選型[2]。運用AVL-Cruise軟件搭建該車型整車仿真模型，對其動力性進行仿真運算，將仿真結(jié)果與理論計算的結(jié)果進行對比，驗證了仿真模型的正確性。后期利用該仿真模型修改動力電池模塊參數(shù)使開發(fā)車型達(dá)到合適的續(xù)航里程，使該車型單位載質(zhì)量能量消耗量（Ekg）指標(biāo)滿足新能源汽車推廣應(yīng)用補助標(biāo)準(zhǔn)要求，為該車型順利拿到國家補貼奠定基礎(chǔ)，也為后期我公司能夠快速開發(fā)其它純電動車型提供借鑒經(jīng)驗。

1 動力參數(shù)匹配計算

1.1 開發(fā)車型基本參數(shù)及動力指標(biāo)要求

以市場為導(dǎo)向，在我公司現(xiàn)有車型平臺基礎(chǔ)上，確定了整車基本參數(shù)以及整車動力性能設(shè)計指標(biāo)分別如表1、表2所示。

表1 整車基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of the whole vehicle

表2 動力性能設(shè)計指標(biāo)Tab.2 Dynamic performance design index

1.2 驅(qū)動電機的參數(shù)匹配

驅(qū)動電機性能參數(shù)匹配要滿足整車的動力性能和經(jīng)濟性能要求，主要計算參數(shù)包括額定功率、峰值功率、額定轉(zhuǎn)速、峰值轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、峰值轉(zhuǎn)矩等[3]。

1.2.1 電機額定功率/峰值功率的計算

（1）按照30 min最高車速85 km/h計算驅(qū)動電機的額定功率，計算公式如下：

式中：Pe——電機額定功率，kW；Umax——最高車速，km/h；m——車輛質(zhì)量，kg；g ——重力加速度，m/s2；f ——滾動阻力系數(shù)；CD——空氣阻力系數(shù)；A——迎風(fēng)面積，m2；ηT——傳動系統(tǒng)效率。

代入數(shù)值，計算得 Pe=33.70 kW。

（2）按照1 km最高車速90 km/h計算驅(qū)動電機峰值功率，計算公式如下：

式中：Pmax——電機峰值功率，kW。

代入數(shù)值，計算得 Pmax=38.28 kW。

（3）由最大爬坡度20%車速10 km/h計算電機峰值功率，計算公式如下：

式中：Ff——滾動阻力，N；Fi——加速阻力，N；Fw——空氣阻力，N。

代入數(shù)值，計算得 Pmax=22.36 kW。

（4）加速工況下確定電機的峰值功率

由0～30 km/h加速時間3 s，按最大總質(zhì)量計算電機峰值功率。

0～30 km/h時，時速不大，全力加速時以加速阻力為主，忽略滾動阻力和空氣質(zhì)量，加速過程中，電機輸出的功率全部轉(zhuǎn)換為汽車動能為

式中：δ——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

加速時間為3 s，平均功率為

由30～50 km/h加速時間3 s，按最大總質(zhì)量計算電機峰值功率。

30～50 km/h時，時速不大，全力加速時以加速阻力為主，忽略滾動阻力和空氣質(zhì)量，加速過程中，電機輸出的功率全部轉(zhuǎn)換為汽車動能為

加速時間為3 s，平均功率為

此狀態(tài)下，電機的峰值功率Pmax一定要大于平均功率。

電機特性在低速時呈現(xiàn)出近似恒轉(zhuǎn)矩特性，運用恒轉(zhuǎn)矩估算功率。汽車在0～30 km/h，30～50 km/h加速過程中的平均加速度。

恒轉(zhuǎn)矩特性時，轉(zhuǎn)速（車速）越高，功率越大。以加速度末的30 km/h，50 km/h計算此時的功率

此狀態(tài)下計算的加速功率Pj，比較保守；電機峰值功率Pmax應(yīng)分別介于之間，可以取兩者算術(shù)平均值較大值約為70.1 kW，作為電機峰值功率的初選值。

選擇電機功率時，30 min最高車速85 km/h是一種實際中可以接近使用的工況，計算功率應(yīng)該是作為持續(xù)功率，分別按1 km最高車速90 km/h計算、最大爬坡度20%計算、加速工況計算的功率作為峰值功率，選取電機的峰值功率。因此，該車型匹配電機的持續(xù)功率不小于34.45 kW，峰值功率不小于70.1 kW[4]。

1.2.2 峰值轉(zhuǎn)速的計算

按照整車性能參數(shù)表中的常規(guī)車速確定驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)速，以最高車速確定驅(qū)動電機的峰值轉(zhuǎn)速，計算公式如下

式中：ig——主減速器速比；i0——變速箱速比；nmaxv——電機峰值轉(zhuǎn)速，r/min；r ——輪胎半徑，m。

考慮電機的溫升、壽命、安全等因素，車輛行駛過程中應(yīng)避免電機運行在最高轉(zhuǎn)速點，根據(jù)行業(yè)設(shè)計經(jīng)驗，預(yù)留10%的設(shè)計余量，則電機峰值轉(zhuǎn)速為

1.2.3 峰值轉(zhuǎn)矩的計算

按照車輛起動的轉(zhuǎn)矩和最大爬坡轉(zhuǎn)矩，結(jié)合車輛的變速比來確定，計算公式如下：

式中：Tmax——電機峰值扭矩，N·m。

代入數(shù)值，計算得Tmax=181.8 N·m。

滿足最大爬坡度要求的電機轉(zhuǎn)矩不小于181.8 N·m。

結(jié)合南京越博動力系統(tǒng)股份有限公司現(xiàn)有驅(qū)動電機強檢報告產(chǎn)品（TZ200XS-YBM417），選取的驅(qū)動電機參數(shù)見表3。

表3 匹配選取的電機參數(shù)Tab.3 Matching selected motor parameters

2 整車仿真模型建立與動力性仿真驗證

2.1 整車仿真模型建立

基于AVL-Cruise軟件，建立如圖1所示的純電動物流車模型，該模型主要包括車輪模型、主減速器模型、變速箱模型、制動器模型、電動機模型、動力電池模型和駕駛員模型等[5]。

圖1 整車仿真模型Fig.1 Vehicle simulation model

在整車模型搭建完成之后，建立模塊之間的物理連接與信號連接，最后，依據(jù)該車型的實際參數(shù)設(shè)置修改Cruise模塊的參數(shù)。其中，動力電池模塊根據(jù)我公司經(jīng)驗值，前期選取江蘇明美新能源科技有限公司一款三元鋰PEB4BO22M產(chǎn)品（135 A·h，380.64 V，51.386 kW·h），后期會輸入其他不同電池廠家的產(chǎn)品參數(shù)，再進行經(jīng)濟性仿真。

2.2 動力性仿真驗證[6]

2.2.1 最高車速仿真驗證

在Cruise軟件Task Folder中，建立Constant Drive-Maximum Velocity without slip任務(wù)，進行最高車速仿真。從Result Manager/results.log中查看仿真結(jié)果，最高車速為102.41 km/h，如圖2所示。根據(jù)理論計算（同時滿足電機最大功率和最大轉(zhuǎn)速），最高車速為102.409 km/h，理論計算與仿真數(shù)據(jù)完全一致。

圖2 最高車速仿真數(shù)據(jù)Fig.2 Simulation data of maximum speed

2.2.2 加速性仿真驗證

建立Full Load Acceleration仿真任務(wù)，計算0～30 km/h，30～50 km/h加速時間分別為3.0 s，2.2 s，加速時間仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。根據(jù)加速度計算公式，電機的功率完全用在加速性能上，可計算出0～30 km/h，30～50 km/h加速時間分別為2.75 s，2.40 s，仿真計算結(jié)果與理論計算分別相差0.25，0.20 s，誤差分別為8.33%和9.09%，均在可接受范圍內(nèi)。

圖3 0～30 km/h加速時間仿真曲線Fig.3 Acceleration time simulation curve of 0～30 km/h

圖4 30～50km/h加速時間仿真曲線Fig.4 Simulation curve of 30～50 km/h acceleration time

2.2.3 最大爬坡度仿真驗證

建立Climbing Performance任務(wù)來計算最大滿載最大爬坡度，仿真得到最大爬坡度曲線如圖5所示。速度為10 km/h時，爬坡度為19.22%，理論計算值為19.24%，數(shù)值幾乎相等。

圖5 最大爬坡度仿真曲線Fig.5 Simulation curve of maximum gradient

經(jīng)過動力仿真數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)值相比較，驗證了仿真數(shù)模的正確性。

3 結(jié)論

通過AVL-Cruise軟件搭建了我公司一款純電動物流車模型，并進行動力性仿真驗證，驗證了仿真模型的正確性，為后期利用該模型仿真整車經(jīng)濟性奠定了基礎(chǔ)，也為后期開發(fā)可以拿到國家補貼的電動車型、縮短車型開發(fā)周期提供借鑒經(jīng)驗。