夏濤

（330001 江西省 南昌市 江鈴集團晶馬汽車有限公司技術(shù)中心）

0 引言

發(fā)展新能源汽車已成為社會共識，更成為中國舉國上下推動的可持續(xù)發(fā)展國家戰(zhàn)略之一。在國家利好政策驅(qū)動下，純電動車取得了快速發(fā)展。純電動商用車相對于純電動乘用車而言，從充電站、性能要求到維修、保養(yǎng)都有獨特的優(yōu)勢[1]。在開發(fā)初期采用專業(yè)仿真軟件對純電動車進行建模及仿真研究，能節(jié)省大量的時間，并使模型過程簡單化[2-3]。

本文以公司純電動商用旅游客車開發(fā)為例，在動力參數(shù)匹配中首先確定驅(qū)動電機總成，根椐續(xù)駛里程設計要求選擇動力電池容量，以實現(xiàn)綜合性能優(yōu)化設計目標。并利用Cruise 軟件對純電動車進行整車建模，對其動力性及經(jīng)濟性進行各項指標進行仿真分析研究。

1 純電動客車的參數(shù)匹配

1.1 基本參數(shù)及設計要求

電動客車的動力性能主要取決于動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配，本文所涉純電動客車的基本參數(shù)和性能指標要求如表1、表2 所示。通過理論計算，完成純電動客車的動力匹配，主要包括對驅(qū)動電機、動力電池等總成的選擇等[4]。然后，利用Cruise 軟件對該車進行整車建模,并對其動力性、經(jīng)濟性進行仿真分析研究。

表1 純電動汽車基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of pure electric vehicle

表2 純電動汽車性能指標Tab.2 Performance target of pure electric vehicle

1.2 驅(qū)動電機的確定

驅(qū)動電機性能是決定整車動力性與經(jīng)濟性的關(guān)鍵因素之一。選擇電動汽車的驅(qū)動電機需要匹配的主要參數(shù)有電機的類型、功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等。電動汽車驅(qū)動電機功率應能滿足電動汽車對最高車速、最大爬坡度以及一定加速時間滿足一定加速度的要求[5-7]。

（1）確定驅(qū)動電機最大功率

車輛最高行駛車速100 km/h 需要驅(qū)動電機提供的功率為

根據(jù)整車最大爬坡性能確定最大功率為

車輛在水平路面上行駛一定速度的加速時間也是反映車輛動力性的重要指標，假設整車在平坦路面加速，瞬態(tài)過程總功率等于加速過程的末時刻t 時電動汽車需求最大功率為Pmax3,并且假設dv/dt=Vt/T(勻加速時間為T）。則整車加速功率需求可以簡化為

最后，確定的電動汽車總功率必須滿足下面的條件，即Pmax≥max[Pmax1，Pmax2，Pmax3]：式中：Pmax——驅(qū)動電機最大需求功率；Vmax——車輛最高車速；ηt——系統(tǒng)傳動效率；t——加速時間；Vt——加速時間t 最終車速；σ——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.04～1.08。

將表1、表2 相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）—式（3），計算得：Pmax1=103.7 kW·h，Pmax2=121.2 kW·h，Pmax3=154.3 kW·h。

（2）根椐最大爬坡度確定電機扭矩

因為純電動汽車完全由電機直接驅(qū)動，電機必須能夠為車輛提供充足的加速功率和爬坡扭矩，因此，電機的扭矩參數(shù)要根椐整車的爬坡性能確定。車輛在一定的車速下能夠爬上的坡度大小反映了車輛的爬坡性能，則

式中：Tmax——驅(qū)動電機最大扭矩需求；imax——車輛最大爬坡度需求；ηt——系統(tǒng)傳動效率；i0——已選定后橋速比。

將表1、表2 相關(guān)參數(shù)代入式（4），得Tmax=1 508.5 N·m

（3）根椐最高車速確定電機最大轉(zhuǎn)速

電動機的最高車速可由客車的最高車速確定，根據(jù)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系以及相應的支撐條件，可得：

式中：Nmax——驅(qū)動電機所需最大轉(zhuǎn)速；Vmax——車輛最高車速；r ——車輪滾動半徑。

將上述參數(shù)代入式（5）得Nmax=3 824 r/min。

（4）驅(qū)動電機選擇

根椐驅(qū)動電機的實際特點，合理過載系數(shù)，選擇驅(qū)動電機合理轉(zhuǎn)速及最高轉(zhuǎn)速。綜合以上計算結(jié)果和分析，本車型選用永磁直流電機，該電機主要性能參數(shù)如表3 所示。

表3 電機主要性能參數(shù)Tab.3 Main performance parameters of motor

1.3 動力電池參數(shù)匹配

相比傳統(tǒng)的鉛酸電池，鋰電池具有較高的能量密度，可快速充電，且有循環(huán)使用壽命長、安全系數(shù)高等特點。本車型選用磷酸鐵鋰電池，電壓平臺選用高壓平臺。

純電動汽車續(xù)航里程S 所需能量可用等速法和工況法來計算，在初步設計中采用等速法來進行續(xù)航里程理論核算[8-10]。所以純電動客車以Va等速行駛的阻力功率及整車能量消耗為

式中：Pa——等速Va行駛所需要的功率；S——等速行駛里程為設計要求；pm——電機控制器輸入功率；ηm——電機及電機控制器總成效率；Wr——純電動車續(xù)駛里程S 所需要的能量。

假定動力電力組有效電容系數(shù)為0.9,則動力電池能量Eb滿足的條件：

代入式（6）—式（8）得 Eb≥135.99 kW·h。

因目前市場上純電動客車動力電池都采用標準箱，本車型動力電池組選用4 個標準箱串聯(lián)而成，動力電池組相關(guān)參數(shù)信息如表4 所示。

表4 動力電池組參數(shù)Tab.4 Parameters of power battery pack

2 基于Crusie 的純電動客車建模與仿真

2.1 基于Crusie 建模

2.1.1 整車模型建立[11]

Crusie 軟件采用模塊化設計方法可搭建多種結(jié)構(gòu)形式的汽車傳動系統(tǒng)模型，并可針對性地制定多種性能仿真任務。本文整車模型選用整車模塊、駕駛室模塊、單級減速模塊、驅(qū)動電機、動力電池、車輪和制動器等模塊，建立模型如圖1 所示。

圖1 基于Crusie 建立純電動車模型Fig.1 Building a pure electric vehicle model based on Cruise

2.1.2 整車模型參數(shù)設置

整車模型的機械連接和信號連接完成后，整車模型中各模塊的參數(shù)需要進行設置，輸入?yún)?shù)包含整車參數(shù)（如迎風面積、軸距、空氣阻力系數(shù)、整車整備質(zhì)量、總質(zhì)量、滾動阻力系數(shù)，電機特性參數(shù)、主減速比、動力電池參數(shù)、車輪半徑、傳動效率等。

2.1.3 設定計算任務

使用Cruise 軟件計算模塊Constant Drive任務來計算整車最高車速，使用Full Load Acceleration 任務來計算加速度，使用Cycle Run任務來計算續(xù)航里程。其中，60 km/h 等速工況可在Cruise 軟件計算任務模塊Tast Folder 下的profile 文件建立60 km/h 等速工況，為減少運時間可將循環(huán)距離設定為100 km。NEDC 全名叫做New European Driving Cycle，該工況總里程為10.93 km,時間為1 225 s，由4 個市區(qū)循環(huán)和1 個市郊循環(huán)組成[12-13]。其中市區(qū)循環(huán)最大車速50 km/h,平均車速19 km/h,市郊循環(huán)最大車速120 km/h,平均車速62 km/h,如圖2 所示。

圖2 NEDC 工況車速與時間關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve between speed and time under NEDC condition

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 最高車速分析

根據(jù) Cruise 軟件的 result 報告，該車最大速度為105 km/h，滿足本車最高速度100 km/h 的設計要求。

2.2.2 最大爬坡度分析

本車型匹配對象的最大爬坡度曲線如圖3 所示。由圖3 可知,該車在速度30 km/h 時,最大爬坡度達22.68%。滿足本車最大爬坡度20%的設計要求。

圖3 整車爬坡度仿真曲線Fig.3 Vehicle climbing slope simulation curve

2.2.3 加速工況分析

本車型各速度加速時間仿真曲線如圖4所示。車輛0～40 km/h 的加速時間為6.45 s，40～80 km/h 的加速時間為19.15 s。

圖4 整車加速度仿真曲線Fig.4 Simulation curve of vehicle acceleration

2.3.4 續(xù)駛里程分析

在Crusie 軟件中，60 km/h 等速消耗電能與續(xù)駛里程仿真曲線如圖5 所示。

圖5 60 km/h 等速續(xù)航里程仿真曲線Fig.5 Simulation curve of 60 km/h constant speed range

設動力電池放電系數(shù)為0.9。則等速60 km/h工況情況下整車續(xù)航里程為

代入式（9）得S1=235.7 km。

式中：E——動力電池組總?cè)萘?，kW·h；ΔE1——等速60 km/h 續(xù)駛100 km 消耗電池容量。

在Cruise 軟件中，一個NEDC 循環(huán)工況動力電池與續(xù)航里程仿真變化曲線如圖6 所示。設動力電池放電系數(shù)為0.9。則在NEDC 工況情況整車續(xù)駛里程為

圖6 EUDC 工況續(xù)航里程仿真曲線Fig.6 Simulation curve of driving range under EUDC condition

代入式（10）得S2=152.1 km。

式中：E——動力電池組總?cè)萘浚琸W·h；ΔE2——一次NEDC 循環(huán)工況使消耗電池能量，kW·h。

2.3 結(jié)果對比

設計要求、理論計算與仿真結(jié)果對比如表5所示。仿真結(jié)果表明，本車型選定的動力源的最高車速、最高爬坡度、加速性能、續(xù)航里程均能滿足設計要求。

3 結(jié)論

基于Cruise 的整車動力性能仿真計算結(jié)果表明，該純電動旅游客車動力源的選型符合車輛整車性能要求，并與理論計算的結(jié)果非常接近，驗證了仿真模型的正確性和有效性，為電動汽車的設計、動力參數(shù)匹配提供了一種有效的方法參考，仿真結(jié)果對實車試制階段的工作也有一定參考價值。