雷　騰，許同盟，李　鋒，楊萬國，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的純電動物流車動力系統(tǒng)仿真

雷騰1，2，許同盟1，2，李鋒2，楊萬國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軟件的仿真分析來模擬城市工況，對純電動物流車動力系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

純電動物流車；動力系統(tǒng)；仿真分析；Cruise

近年來霧霾侵襲導(dǎo)致全國大部分地區(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)動車尾氣也是城市環(huán)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(dān)負(fù)著城市運(yùn)輸?shù)闹厝?，自然對排放等級要求更加?yán)格。開發(fā)一款純電動物流車型來代替燃油車，不僅為城市環(huán)境帶來改善，而且復(fù)雜的城市交通情況更能發(fā)揮純電動汽車的優(yōu)勢。

1　純電動物流車整車參數(shù)及性能指標(biāo)要求

城市物流運(yùn)輸車型必須要有良好的動力性能，才能適合城市道路的運(yùn)輸工況。本文設(shè)計(jì)的純電動物流車型性能、參數(shù)指標(biāo)見表1和表2。

表1　純電動物流車性能指標(biāo)

2　動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

純電動汽車的動力性主要取決于動力及傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配，包括動力電池、驅(qū)動電機(jī)及傳動系統(tǒng)控制器等部件［11］，其評價(jià)指標(biāo)最常用的參數(shù)有：最高車速、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)輸車型，對車速和加速時(shí)間要求比較高，需要選擇合適的驅(qū)動電機(jī)。所選驅(qū)動電機(jī)的功率越大，整車的動力性能也就越好，但還要兼顧到產(chǎn)品的使用經(jīng)濟(jì)性和開發(fā)成本等因素。因此，針對設(shè)計(jì)目標(biāo)合理的匹配電機(jī)參數(shù)，所選用的驅(qū)動電機(jī)功率應(yīng)能滿足電動汽車對最高車速、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　純電動物流車基本參數(shù)

2

2.11功率計(jì)算

11）當(dāng)汽車以某一速度vvaa行駛在一定坡度ii上時(shí)，所需功率為

式中：f——滾動摩擦力系數(shù)；m——整車質(zhì)量；CD——風(fēng)阻系數(shù)；A——迎風(fēng)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(jù)我國相關(guān)公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中對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)整車性能需求，滿載情況下，最高車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)動電機(jī)的最大功率要同時(shí)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(qū)動電機(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)見表3。

表3　電機(jī)參數(shù)

2.2電機(jī)減速傳動比的確定

1）由電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和最高行駛車速確定最小傳動比

式中：nmax——電機(jī)最高轉(zhuǎn)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(jì)算

最大爬坡度為25%，帶入相關(guān)數(shù)值，取得傳動比的數(shù)值。

2.3動力電池包匹配

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），整車高壓平臺為380V，可計(jì)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(huán)境，將汽車的各個(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］。整車建模過程中，將相關(guān)的模塊調(diào)用，搭建整車架構(gòu)，根據(jù)整車參數(shù)對汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行模擬仿真。純電動物流車整車模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　純電動商用車Cruise模型

3.2仿真結(jié)果分析

本文對研究車型進(jìn)行了車輛加速性能、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物流車在城市道路運(yùn)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(shè)計(jì)的這款城市純電動物流車型，要求0—50km/h的加速度設(shè)計(jì)目標(biāo)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(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）最高車速分析城市物流車主要負(fù)責(zé)城市內(nèi)的物流運(yùn)輸，對整車速度也有一定的要求，結(jié)合中國目前城市物流車型的情況，對整車的最初設(shè)計(jì)目標(biāo)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(dá)91km/h，滿足本文最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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(gè)重要指標(biāo)［5］，城市物流車對整車爬坡度性能指標(biāo)也有一定的要求。本文最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)為≥25°。通過Cruise軟件的綜合分析，車速在25km/h時(shí)可達(dá)到的最大爬坡度為28°，滿足車輛的性能需求，結(jié)果如圖4所示。

圖4　爬坡性能曲線圖

4）NEDC循環(huán)工況下整車性能分析 如圖5所示，循環(huán)工況下，整車的車速與瞬態(tài)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(wěn)，瞬時(shí)起停對電池電量的消耗也符合初期的預(yù)定目標(biāo)。低車速運(yùn)行時(shí)，SOC下降比較平緩，隨著車速的增大，電機(jī)功率的加大，SOC下降比較明顯。

圖5　NEDC工況曲線圖

4　結(jié)論

本文針對城市運(yùn)輸工況的特點(diǎn)開發(fā)設(shè)計(jì)一款純電動物流車，對其動力系統(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(jù)最后的仿真結(jié)果來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。仿真結(jié)果顯示，整車的動力系統(tǒng)滿足設(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。

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

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

［3］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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

［5］牛明強(qiáng)，郭興眾，孫駟洲，等.基于CRUISE的純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真［J］.安徽工程大學(xué)學(xué)報(bào)，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?yàn)樾履茉雌囋O(shè)計(jì)、整車開發(fā)工作。