雷 騰,許同盟,李 鋒,楊萬(wàn)國(guó),王 強(qiáng),焦亞男
(1.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250000;2.山東五征集團(tuán)有限公司,山東 日照 276800)
基于Cruise的純電動(dòng)物流車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)仿真
雷騰1,2,許同盟1,2,李鋒2,楊萬(wàn)國(guó)2,王強(qiáng)2,焦亞男2
(1.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山東 濟(jì)南250000;2.山東五征集團(tuán)有限公司,山東 日照276800)
基于Cruise軟件的仿真分析來(lái)模擬城市工況,對(duì)純電動(dòng)物流車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析,驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。
純電動(dòng)物流車(chē);動(dòng)力系統(tǒng);仿真分析;Cruise
近年來(lái)霧霾侵襲導(dǎo)致全國(guó)大部分地區(qū)PM2.5嚴(yán)重爆表,環(huán)境污染成為人們關(guān)注的焦點(diǎn),機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣也是城市環(huán)境污染來(lái)源之一。隨著國(guó)家對(duì)排放要求的升級(jí),綠色交通的概念開(kāi)始推廣,城市物流車(chē)擔(dān)負(fù)著城市運(yùn)輸?shù)闹厝?,自然?duì)排放等級(jí)要求更加嚴(yán)格。開(kāi)發(fā)一款純電動(dòng)物流車(chē)型來(lái)代替燃油車(chē),不僅為城市環(huán)境帶來(lái)改善,而且復(fù)雜的城市交通情況更能發(fā)揮純電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)。
城市物流運(yùn)輸車(chē)型必須要有良好的動(dòng)力性能,才能適合城市道路的運(yùn)輸工況。本文設(shè)計(jì)的純電動(dòng)物流車(chē)型性能、參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1和表2。
表1 純電動(dòng)物流車(chē)性能指標(biāo)
純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性主要取決于動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配,包括動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)控制器等部件[11],其評(píng)價(jià)指標(biāo)最常用的參數(shù)有:最高車(chē)速、最大爬坡度和加速時(shí)間[22]。作為一款城市市內(nèi)物流運(yùn)輸車(chē)型,對(duì)車(chē)速和加速時(shí)間要求比較高,需要選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。所選驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率越大,整車(chē)的動(dòng)力性能也就越好,但還要兼顧到產(chǎn)品的使用經(jīng)濟(jì)性和開(kāi)發(fā)成本等因素。因此,針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)合理的匹配電機(jī)參數(shù),所選用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率應(yīng)能滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)對(duì)最高車(chē)速、最大爬坡度以及加速時(shí)間的要求[33]。需要確定其額定功率PPee、峰值功率PPmmaaxx、最大轉(zhuǎn)矩TTmmaaxx等參數(shù)。
表2 純電動(dòng)物流車(chē)基本參數(shù)
2
2.11功率計(jì)算
11)當(dāng)汽車(chē)以某一速度vvaa行駛在一定坡度ii上時(shí),所需功率為
式中:f——滾動(dòng)摩擦力系數(shù);m——整車(chē)質(zhì)量;CD——風(fēng)阻系數(shù);A——迎風(fēng)面積;va——車(chē)速;g——重力加速度;η——傳動(dòng)效率;α——坡度 (角度),α=arctani。根據(jù)我國(guó)相關(guān)公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)道路縱向坡度的要求,可取適量的道路坡度i進(jìn)行額定功率計(jì)算Pi。
2)根據(jù)整車(chē)性能需求,滿(mǎn)載情況下,最高車(chē)速行駛在一定坡度時(shí),可得電機(jī)最大功率Pj。
3)加速時(shí)間功率驗(yàn)證,根據(jù)整車(chē)性能參數(shù),0—50km/h加速時(shí)間為10s,則根據(jù)公式可以計(jì)算出電機(jī)功率為
式中:v——加速末的速度;δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率要同時(shí)滿(mǎn)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(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率為30 kW,最大功率取值Pmax=60kW。
計(jì)算出電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。根據(jù)步驟1)~4)初步選定電機(jī)的參數(shù)見(jiàn)表3。
表3 電機(jī)參數(shù)
2.2電機(jī)減速傳動(dòng)比的確定
1)由電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和最高行駛車(chē)速確定最小傳動(dòng)比
式中:nmax——電機(jī)最高轉(zhuǎn)速,r/min;vmax——電動(dòng)汽車(chē)最高車(chē)速,km/h;r——車(chē)輪滾動(dòng)半徑。
2)最大傳動(dòng)比由最大爬坡度計(jì)算
最大爬坡度為25%,帶入相關(guān)數(shù)值,取得傳動(dòng)比的數(shù)值。
2.3動(dòng)力電池包匹配
在此項(xiàng)目要求中,要求60km/h等速能夠達(dá)到里程240km。
在車(chē)速60km/h速度運(yùn)行下電機(jī)消耗的功率為
總續(xù)航里程的耗電量為Ea=Pel×t。
根據(jù)電機(jī)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(chē)高壓平臺(tái)為380V,可計(jì)算出電池額定容量C=151Ah。
3.1仿真模型的建立
Cruise軟件提供了一種圖形化的交互環(huán)境,將汽車(chē)的各個(gè)零部件模塊化,根據(jù)研究的需要添加相應(yīng)的控制模塊,并正確連接數(shù)據(jù)總線[4]。整車(chē)建模過(guò)程中,將相關(guān)的模塊調(diào)用,搭建整車(chē)架構(gòu),根據(jù)整車(chē)參數(shù)對(duì)汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行模擬仿真。純電動(dòng)物流車(chē)整車(chē)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 純電動(dòng)商用車(chē)Cruise模型
3.2仿真結(jié)果分析
本文對(duì)研究車(chē)型進(jìn)行了車(chē)輛加速性能、爬坡性能、等速續(xù)航里程、NEDC(歐洲循環(huán)工況)等進(jìn)行了模擬分析,具體分析結(jié)果如下。
1)加速性能分析純電動(dòng)物流車(chē)在城市道路運(yùn)輸中,需要不斷地起停、加減速。因此,對(duì)整車(chē)動(dòng)力性能的加減速和最高車(chē)速要求比較高。本文設(shè)計(jì)的這款城市純電動(dòng)物流車(chē)型,要求0—50km/h的加速度設(shè)計(jì)目標(biāo)為≤10s。通過(guò)Cruise軟件的綜合分析,整車(chē)加速性能如圖2所示,0—50km/h的加速時(shí)間為8.2s,符合最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
圖2 0—50km/h加速性能曲線圖
2)最高車(chē)速分析城市物流車(chē)主要負(fù)責(zé)城市內(nèi)的物流運(yùn)輸,對(duì)整車(chē)速度也有一定的要求,結(jié)合中國(guó)目前城市物流車(chē)型的情況,對(duì)整車(chē)的最初設(shè)計(jì)目標(biāo)為滿(mǎn)載的情況下車(chē)輛速度≥85km/h。通過(guò)Cruise軟件的分析,如圖3所示,在整車(chē)滿(mǎn)載的情況下,車(chē)輛的最高速度可達(dá)91km/h,滿(mǎn)足本文最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
圖3 最高車(chē)速曲線圖
3)爬坡性能分析汽車(chē)的最大爬坡度作為汽車(chē)動(dòng)力性能的一個(gè)重要指標(biāo)[5],城市物流車(chē)對(duì)整車(chē)爬坡度性能指標(biāo)也有一定的要求。本文最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)為≥25°。通過(guò)Cruise軟件的綜合分析,車(chē)速在25km/h時(shí)可達(dá)到的最大爬坡度為28°,滿(mǎn)足車(chē)輛的性能需求,結(jié)果如圖4所示。
圖4 爬坡性能曲線圖
4)NEDC循環(huán)工況下整車(chē)性能分析 如圖5所示,循環(huán)工況下,整車(chē)的車(chē)速與瞬態(tài)電量消耗曲線顯示,整車(chē)的動(dòng)力匹配在滿(mǎn)足NEDC工況的要求下,整車(chē)耗電量SOC變化比較平穩(wěn),瞬時(shí)起停對(duì)電池電量的消耗也符合初期的預(yù)定目標(biāo)。低車(chē)速運(yùn)行時(shí),SOC下降比較平緩,隨著車(chē)速的增大,電機(jī)功率的加大,SOC下降比較明顯。
圖5 NEDC工況曲線圖
本文針對(duì)城市運(yùn)輸工況的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一款純電動(dòng)物流車(chē),對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,然后運(yùn)用Cruise軟件進(jìn)行建模和仿真分析。通過(guò)對(duì)整車(chē)的加速性能、爬坡性能、最大車(chē)速和NEDC工況的模擬分析,根據(jù)最后的仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。仿真結(jié)果顯示,整車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求,能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。運(yùn)用Cruise軟件仿真分析,可以進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性與準(zhǔn)確性。
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(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?yàn)樾履茉雌?chē)設(shè)計(jì)、整車(chē)開(kāi)發(fā)工作。