徐達偉，回 春

(1.武漢理工大學現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北武漢430070;2.武漢理工大學汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢430070)

隨著環(huán)境污染和能源匱乏加劇，純電動客車作為一種公共交通工具，已經(jīng)漸漸進入日常生活中。純電動客車由于噪聲低、“零污染”和能源轉(zhuǎn)換率高等優(yōu)點，受到各大汽車生產(chǎn)廠商的關(guān)注。通常車輛經(jīng)濟性、動力性的評價是由實車的道路測試或臺架試驗得到的。由于發(fā)動機與動力系統(tǒng)匹配方案和各部件的參數(shù)變化多樣，若每個方案都經(jīng)過實車試驗，不僅會增加大量的費用，而且會延長設(shè)計周期。因此，在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的初級階段，為了縮短開發(fā)周期、降低成本，利用計算機對車輛的各部件進行建模，對各種不同的路況進行模擬仿真，從而找到最佳方案。Cruise作為一款先進的整車仿真模擬分析軟件，目前被各大公司廣泛應(yīng)用。

1 純電動客車動力系統(tǒng)組成

純電動客車的動力性主要由動力總成系統(tǒng)來決定;而其經(jīng)濟性由續(xù)駛里程決定。純電動客車的動力總成系統(tǒng)主要包括電動機、電池、變速器、主減速器、差速器，以及車輪等［1］，如圖1所示。

圖1 純電動客車的整車模型

按電力驅(qū)動子系統(tǒng)組成和布置形式的不同，純電動客車驅(qū)動類型分為機械傳動型、無變速器型、無差速器型和電動輪型4種類型。筆者采用機械傳動型，保留了內(nèi)燃機汽車的傳動系統(tǒng)，將發(fā)動機換成了電動機，這樣可以提高純電動客車的起動轉(zhuǎn)矩及低速時的后備功率，對驅(qū)動電動機要求相對較低，選擇電動機的靈活性增大。

2 車輛動力性及經(jīng)濟性分析

2.1 動力性

純電動客車的動力性主要用最高車速、加速時間和最大爬坡度3個指標來評價。

(1)最高車速分析。最高車速指在水平良好路面上汽車所能達到的最高行駛車速，主要由汽車的驅(qū)動力和行駛阻力來決定［2］。

驅(qū)動力為:

式中:Ft為驅(qū)動力;Ttq為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩;ηT為機械效率;ig為變速器速比;io為主傳動比;r為滾動半徑。

阻力為:

式中:Ff為滾動阻力;Fw為空氣阻力;f為滾動阻力系數(shù);G為汽車總質(zhì)量;CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風面積;ua為行駛車速。

因此，最高車速可從汽車的驅(qū)動力－行駛阻力平衡圖中得到，F(xiàn)t曲線與Ff和Fw曲線的交點即是純電動汽車的最高車速vmax。

然而在選用較大功率的牽引電動機或大傳動比的設(shè)計中，并不是利用交點求最高車速，而是通過電動機的最高轉(zhuǎn)速nmax求得。

式中，itmax為傳動系統(tǒng)最大傳動比。

(2)爬坡性能分析。爬坡性能指汽車在良好路面上克服滾動阻力和空氣阻力后，其后備功率在穩(wěn)定車速條件下(忽略加速阻力)全部用來爬坡時所能爬上的最大坡度。

式中:i為汽車爬坡度;Ig為汽車各檔傳動比;D為動力因素。

(3)加速性能分析。加速性能指汽車在良好路面上，克服空氣阻力和滾動阻力后，其后備功率全部用來提高汽車車速的能力。

式中:d u/d t為加速度;δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

2.2 經(jīng)濟性

經(jīng)濟性評價指標是以某一車速或循環(huán)工況為基礎(chǔ)，用汽車行駛一定的里程數(shù)或者一定里程的能量消耗來評價的。純電動汽車的經(jīng)濟性評價指標包括續(xù)駛里程、單位里程能量消耗和單位能耗行駛里程等。

筆者主要討論純電動客車的續(xù)駛里程。續(xù)駛里程是純電動客車在蓄電池充滿電的狀態(tài)下，按一定的行駛功率，能連續(xù)行駛的最大距離。

(1)電機功率。汽車以速度v(取40 km/h)等速行駛時所需的電機功率Pi為:

(2)電池額定能量為:

式中:Ue為電池的端電壓;Q為電池的額定容量。

(3)續(xù)駛里程。在理想狀態(tài)下，等速行駛的續(xù)駛里程S為:

3 Cruise運行流程及仿真內(nèi)容

Cruise能對不同類型的汽車進行建模和分析，得到汽車的相應(yīng)性能指標，同時進行汽車性能優(yōu)化，且可模擬實際的汽車和道路，降低試驗成本［3］。

3.1 Cruise運行流程

(1)根據(jù)整車的構(gòu)成，在建模窗口添加所需的模塊，如發(fā)動機、變速器、主減速器、制動器和車輪等零部件模塊;

(2)利用各個部件相應(yīng)的參數(shù)對模塊的參數(shù)進行設(shè)置;

(3)根據(jù)整車各部件的動力及信號的傳遞關(guān)系對部件進行物理和電氣連接;

(4)根據(jù)研究需要，設(shè)置相應(yīng)的計算任務(wù)，如最大爬坡度、加速時間、最大車速和續(xù)駛里程等。

3.2 Cruise仿真內(nèi)容

(1)循環(huán)工況分析。用于計算循環(huán)工況(如UDC、NEDC等)中油耗(耗電量)和排放的情況。

(2)爬坡性能分析。用于計算汽車的最大爬坡度?？梢杂嬎悴煌瑩跷幌缕嚨牟煌榔露?。

(3)穩(wěn)態(tài)行駛工況分析。用于計算汽車穩(wěn)定行駛時燃油消耗量和排放量［4］。該任務(wù)計算每一擋位下，整個發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)汽車的性能，通過改變主傳動比計算理論和實際最高車速。

(4)滿負荷加速性能計算。最大加速度指對于每一個擋位，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最大加速度。原地起步加速性能指在連續(xù)換擋條件下，汽車原地起步的加速性能。超車加速性能指由某一起始車速，在某一擋位下加速到目標車速時的加速性能。

4 利用Cruise進行仿真分析

4.1 純電動客車的參數(shù)

(1)純電動客車的整車參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)

(2)電池參數(shù)如表2所示。

表2 電池參數(shù)

(3)電動機參數(shù)如表3所示。

利用Cruise軟件建立的電機特性曲線如圖2所示。輸出轉(zhuǎn)矩的正區(qū)域為驅(qū)動特性，負區(qū)域為發(fā)電機特性［5］。在低速區(qū)域，電機具有恒轉(zhuǎn)矩特性;在高速區(qū)域，電機具有恒功率特性。在960 r/min附近為電機恒轉(zhuǎn)矩和恒功率的切換點。

表3 電動機參數(shù)

圖2 電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性曲線

4.2 設(shè)計要求

設(shè)計純電動客車的要求如表4所示。

表4 純電動客車設(shè)計要求

4.3 整車仿真模型

汽車動力傳遞路線為電機→變速器→主減速器→差速器→車輪，在 Cruise中建立汽車模型［6］，如圖3所示。然后對各個模塊的參數(shù)進行設(shè)置。其中駕駛室模塊14根據(jù)人體反應(yīng)真實地再現(xiàn)車輛的行為;函數(shù)模塊18、19和常數(shù)模塊21是為了回收剎車時的制動力;監(jiān)視器模塊20是為了獲得汽車在行駛時的數(shù)據(jù)［7］。根據(jù)仿真要求，選擇和編輯相應(yīng)的任務(wù)，并進行仿真計算［8］。

4.4 循環(huán)工況

由于該車型為純電動客車，因此選用綜合性能評測較均衡的新歐洲循環(huán)工況(new European driving cycle，NEDC)作為測試工況［9］。圖 4 所示為純電動客車仿真行駛距離、加速度和速度隨時間變化的曲線。汽車在行駛過程中分為加速、巡航和減速3個階段［10］。整個過程中速度變化比較平穩(wěn)。由圖4可知，該循環(huán)周期為1 190 s，最大行駛速度為107 km/h，平均行駛速度為36 km/h。

4.5 爬坡性能

圖3 純電動汽車Cruise整車模型

圖4 純電動客車仿真行駛距離、速度和加速度隨時間變化曲線圖

汽車最大爬坡度決定了汽車的爬坡性能，是一項重要的動力性指標。由圖5可知，該車型最大爬坡度約為22%，符合動力性指標≥20%的要求。該車的爬坡性能良好，滿足一般道路行駛要求。

圖5 爬坡度曲線

4.6 加速時間和最高車速

由圖6可知，該車型0～50 km/h加速用時19 s，基本滿足加速時間≤20 s的指標。由電機的特性可知，低速輸出轉(zhuǎn)矩大，獲得的加速度大，0～90 km/h加速時間較短，約為70 s;而在高轉(zhuǎn)速時輸出轉(zhuǎn)矩小，汽車從90 km/h加速到100 km/h時間較長。從速度曲線可以看出，該車的最高速度維持在107 km/h左右，達到了最高車速≥80 km/h的要求。整體來說，該車型基本滿足了客車的道路行駛要求。

圖6 0～50 km/h全負荷下純電動客車仿真行駛距離、速度和加速度隨時間變化曲線

4.7 續(xù)駛里程

續(xù)駛里程指電池經(jīng)過一次充放電所能使汽車行駛的最大距離。在 Cruise中建立車速為40 km/h的勻速行駛工況，使該工況的時間足夠長，直到電池電量消耗完。因此，電池SOC的變化對應(yīng)的距離就是續(xù)駛里程。由圖7可知，續(xù)駛里程為54 km，滿足續(xù)駛里程≥50 km的要求。

圖7 40 km/h的勻速行駛工況下電池SOC隨距離變化的曲線

5 結(jié)論

通過Cruise軟件建立的某純電動客車模型仿真，并對該車的動力性和經(jīng)濟性進行分析。仿真結(jié)果表明，該車在0～50 km/h加速時間為19 s，滿足加速時間≤20 s的要求;爬坡性能為22% ＞20%，符合實際要求;最高速度維持在107 km/h左右，滿足最高車速≥80 km/h的要求;續(xù)駛里程為54 km＞50 km，滿足行駛要求。利用Cruise軟件建模仿真可以縮短研發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)成本，減少車輛在設(shè)計上的盲目性。仿真結(jié)果為實車試驗提供了重要的參考數(shù)據(jù)。

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