摘要：純電動商用車的動力系統(tǒng)匹配是產(chǎn)品開發(fā)過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)。以一款在研純電動商用物流車為原型，根據(jù)整車參數(shù)和性能要求，首先從汽車?yán)碚摲矫鎸恿ο到y(tǒng)進行計算與分析；再利用AVL CRUISE軟件搭建該車輛的仿真模型，對整車的動力性、經(jīng)濟性進行仿真分析，仿真結(jié)果驗證了該動力系統(tǒng)的合理性和可行性；最后在轉(zhuǎn)轂試驗臺架上驗證車輛的動力性和經(jīng)濟性，達成項目開發(fā)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：純電動商用車；動力系統(tǒng)；仿真分析；轉(zhuǎn)轂試驗臺；動力性；經(jīng)濟性

中圖分類號：U462.3 收稿日期：2024-01-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.004

1 前言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，碳排放帶來的負面影響越來越顯著。我國積極響應(yīng)國際社會的號召，在2020年提出了“2030年實現(xiàn)碳達峰、2060年實現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)[1]。純電動商用車作為一種新興的環(huán)保型交通工具備受社會關(guān)注，作為純電動商用車的重要部件，動力系統(tǒng)匹配是否合理直接影響著整車性能的好壞[2]。車輛的動力性和經(jīng)濟性是綜合評估汽車性能指標(biāo)的重要參數(shù)，通過計算機軟件對整車建模并進行仿真分析，可以找到合適的設(shè)計方案，并為其設(shè)計和開發(fā)提供基礎(chǔ)[3]，有效縮短車輛開發(fā)周期，而且節(jié)約了研發(fā)成本，其仿真結(jié)果也可以為實車試驗提供重要的參考依據(jù)[4]。

2 車輛動力系統(tǒng)的主要設(shè)計方法

本文主要目標(biāo)是為純電動商用物流車開發(fā)一套成熟、穩(wěn)定的動力系統(tǒng)，有充足的動力輸出又能兼顧優(yōu)秀的能耗經(jīng)濟性，保證車輛的出勤率，降低客戶使用成本。目前常用的動力系統(tǒng)設(shè)計方法有以下幾種：

a.汽車?yán)碚撛O(shè)計法：運用所學(xué)的汽車?yán)碚搶I(yè)知識，對受力平衡方程及驅(qū)動力-行駛阻力等車輛動力性和經(jīng)濟性參數(shù)進行理論計算和評價。

b.道路模擬法：根據(jù)用戶車輛應(yīng)用場景及整車性能目標(biāo)定義，采集道路載荷路譜，然后對載荷路譜進行編輯，運用于轉(zhuǎn)轂試驗臺架上，對整車動力性和經(jīng)濟性指標(biāo)進行優(yōu)化，直到達到設(shè)計要求為止。

c.先進軟件仿真分析法：是指采用計算機仿真分析技術(shù)，對整車進行建模，將車輛各零部件參數(shù)輸入軟件模型中，再按照軟件的要求進行仿真計算，將結(jié)果與目標(biāo)進行對比分析，如果沒有達到目標(biāo)要求，可進一步對各零部件參數(shù)進行重置以WdSynKTi2qt7R24GEpD86A==及對控制策略進行優(yōu)化，直到滿足車輛要求為止。目前常用的仿真軟件有AVL CRUISE、IPG-CARMAKER等，本文將采用AVL CRUISE軟件進行仿真分析。

本文將根據(jù)一款在研純電動商用物流車定義的整車參數(shù)和性能要求，利用汽車?yán)碚撛O(shè)計法、先進軟件仿真分析法及轉(zhuǎn)轂試驗臺架來設(shè)計和驗證這套動力系統(tǒng)，達成本項目開發(fā)目標(biāo)，降低研發(fā)風(fēng)險。

3 車輛動力系統(tǒng)零部件參數(shù)設(shè)計

3.1 純電動商用車整體結(jié)構(gòu)方案

本文所描述的純電動商用車總體結(jié)構(gòu)布置如圖1、圖2所示。該車型布置與傳統(tǒng)商用車布置幾乎一樣，將傳統(tǒng)商用車的發(fā)動機、燃油箱等部件用動力電池和電機電控代替，在VCU的控制下使車輛按駕駛員的意圖運動。動力系統(tǒng)方案如圖3所示。

3.2 車輛的基本參數(shù)和動力性經(jīng)濟性要求

本文所定義的車輛基本參數(shù)和動力性經(jīng)濟性要求如表1所示。

3.3 驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)匹配分析

3.3.1 傳動比的匹配

a.最大傳動比的匹配。

對于具有多擋變速箱的車輛來說，傳動系的最大傳動比imax即變速箱1擋速比ig1與主減速比i0的乘積，最大傳動比應(yīng)滿足車輛最大爬坡度要求，同時還應(yīng)該滿足附著要求不發(fā)生打滑[5]，即：

式中，ig1為變速箱1擋速比；αmax為最大爬坡度；Te為額定扭矩；i0為主減速比。

b.最小傳動比的匹配。

最小傳動比imin應(yīng)該滿足車輛最高行駛車速的要求，變速箱擋位為最高擋，此時imin為最高擋速比與主減速比的乘積[5]，即：

式中，imin為最小傳動比；nmax為電機峰值轉(zhuǎn)速。

本文中車輛的主減速比是確定的，故只要確定變速箱的速比即可。據(jù)調(diào)研了解，市場上4.5 t左右的純電動商用車變速箱大多數(shù)用的是兩擋箱。根據(jù)計算，考慮變速箱結(jié)構(gòu)、成本、產(chǎn)品成熟度等因素，選用行業(yè)成熟的2擋箱，速比為：一擋為2.85，二擋為1。

3.3.2 驅(qū)動電機功率計算

驅(qū)動電機的額定功率和峰值功率是驅(qū)動系統(tǒng)中2個重要的參數(shù)。一般來說，電動汽車的額定輸出功率為持續(xù)輸出功率的最大值，對應(yīng)的工況為汽車在平直路面持續(xù)勻速時對應(yīng)的功率，此時汽車需克服滾動阻力及空氣阻力，爬坡阻力和加速阻力不計。

以最高車速120 km/h確定電機額定功率如下：

式中，PN為電機額定功率。

以最大爬坡度確定驅(qū)動電機的功率。以20 km/h的車速滿載4 495 kg爬30%坡度所需電機峰值功率來計算，30%坡度轉(zhuǎn)化為角度為α=16.7°?公示如下：

式中，Pm1為峰值功率；α為坡度角，α=arctan i；vα為爬坡車速。

以加速時間確定電機的功率如下：

式中，Pm2為峰值功率；t為加速時間；x為擬合系數(shù)，一般取0.5；vt為汽車加速末速度。

通過式（3）～式（5）的計算可得：PN=47.22 kW，Pm1=79.89 kW，Pm2 =109.67 kW，則Pm≥max（Pm1，Pm2），所以綜合考慮選定驅(qū)動電機的額定功率為55 kW，峰值功率為110 kW。

3.3.3 驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速計算

以最高車速120 km/h確定驅(qū)動電機的最高轉(zhuǎn)速，以經(jīng)濟車速50 km/h確定驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)速，公式如下：

式中，nm為驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速；nN為驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)速；vN為經(jīng)濟車速；ig為變速箱最高擋速比；i0為主減速比。

通過式（6）～式（7）計算可得：額定轉(zhuǎn)速nN=2 176 r/min，峰值轉(zhuǎn)速nm=5 658 r/min。

3.3.4 驅(qū)動電機扭矩計算

根據(jù)功率、轉(zhuǎn)速、扭矩的關(guān)系，通過額定轉(zhuǎn)速和額定功率計算出額定扭矩：

式中，Pe為額定功率；ne為額定轉(zhuǎn)速。

以20 km/h的車速滿載（4 495 kg）爬30%坡度并結(jié)合車輛的傳動比來計算電機所需的峰值扭矩：

式中，Tmax為峰值扭矩；v為爬坡車速。

通過式（8）和式（9）的計算可得：Te=220 N·m，Tmax=307.5 N·m。

經(jīng)過上述計算，選取某款成熟永磁同步電機和2擋變速箱做為車輛的電驅(qū)動系統(tǒng)，該電機和變速箱的參數(shù)如表2所示。

3.4 動力電池系統(tǒng)參數(shù)匹配

動力電池系統(tǒng)是純電動汽車的唯一動力源，應(yīng)該選用能量密度高、安全好、壽命長的電芯，磷酸鐵鋰電池是當(dāng)前不錯的選擇。

在對該車輛動力電池進行參數(shù)匹配設(shè)計時，需要根據(jù)整車的性能要求及驅(qū)動電機的電壓平臺來確定動力電池的參數(shù)。通過上述可知，選型電機的電壓平臺為510 V，40 km/h等速續(xù)駛里程不低于360 km，為滿足以上要求，車輛的動力電池容量計算如下所示：

式中，We為動力電池總?cè)萘?；S為電動汽車?yán)m(xù)駛里程；ve為車輛行駛車速，取值為40 km/h；ηe為動力電池放電效率，取值為0.9。

車輛滿載時以40 km/h等速行駛時電機所需要的功率代入式（3）計算可知，Pe=8.8 kW。

車輛所需動力電池總?cè)萘看胧剑?0）計算可知，We=86.08 kW·h。

為保證動力電池的使用壽命，將放電深度定為0.8，即充電完成時電池的SOC上限為100%，放電至電池SOC的下限為20%，SOC低于20%時整車做限功保護，提示盡快充電。

基于上述計算分析，這款動力電池系統(tǒng)選擇某知名廠家的成熟產(chǎn)品，動力電池參數(shù)如表3所示。

4 純電動商用車整車建模、仿真分析及試驗驗證

4.1 概述

CRUISE軟件是AVL公司開發(fā)的一款整車及動力總成仿真分析軟件。它可以研究整車的動力性、經(jīng)濟性、排放性能及制動性能等，是車輛系統(tǒng)的集成開發(fā)平臺。AVL CRUISE軟件內(nèi)置了很多基于車輛工程應(yīng)用的計算任務(wù)，主要有循環(huán)工況任務(wù)、最大爬坡度計算任務(wù)、穩(wěn)態(tài)行駛性能任務(wù)、全負荷加速性能任務(wù)、最大牽引力計算任務(wù)、巡航工況任務(wù)及制動/滑行/反拖任務(wù)等。AVL CRUISE軟件已經(jīng)成功地在整車生產(chǎn)商和零部件供應(yīng)商之間搭建起了溝通的橋梁。該軟件與其他仿真工具相比，具有以下特點：模塊化的建模方式、多種計算任務(wù)、大量的電氣部件、控制策略編寫功能等。

4.2 整車仿真模型建立

根據(jù)車輛的結(jié)構(gòu)和動力系統(tǒng)方案，在軟件窗口中添加各零部件模型，并對各模型進行參數(shù)設(shè)置，建立CRUISE整車仿真模型，包括整車模型、動力電池模型、驅(qū)動電機模型、變速箱模型、離合器模型、輪胎模型、制動器模型、主減速器模型、差速器模型、駕駛室模型、監(jiān)視器模型、控制器模型等，各模型之間通過電氣、機械和信號線進行連接，如圖4所示。

4.3 仿真任務(wù)設(shè)定

根據(jù)整車性能要求設(shè)置仿真任務(wù)，主要包括最高車速、爬坡度、加速性能及續(xù)駛里程等。仿真分析依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T 18385—2005[6]、GB/T 18386—2017[7]。

4.4 仿真結(jié)果分析

4.4.1 動力性仿真結(jié)果分析

a.最大爬坡度：車輛的最大爬坡度是衡量汽車的一項重要指標(biāo)，由圖5可知，該車在20 km/h車速、滿載4 495 kg下的最大爬坡度為31.52%，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

e.0～100 km/h連續(xù)加速時間：由圖9可知，車輛0～100 km/h加速時間為24.17 s，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

4.4.2 經(jīng)濟性仿真結(jié)果分析

a.40 km/h工況等速續(xù)駛里程：圖10為40 km/h等速循環(huán)工況曲線圖，由圖11可知40 km/h工況等速續(xù)駛里程為368 km，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

b.C-WTVC工況續(xù)駛里程：圖12為C-WTVC循環(huán)工況曲線圖，由圖13可知C-WTVC工況等速續(xù)駛里程為291 km，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

4.4.3 試驗驗證

a.測試準(zhǔn)備及標(biāo)準(zhǔn)。

隨機選取一臺樣車，在公司試驗檢測中心轉(zhuǎn)轂試驗臺架上測試車輛的動力性和經(jīng)濟性，按照GB/T 18385—2005《電動汽車 動力性能 試驗方法》、GB/T 18386—2017《電動汽車 能量消耗率和續(xù)駛里程 試驗方法》測試最高車速、爬坡度、加速性能及續(xù)駛里程等參數(shù)，試驗環(huán)境如圖14所示。

b.測試結(jié)果。

試驗中心轉(zhuǎn)轂試驗臺測試數(shù)據(jù)如表4所示。

4.5 測試結(jié)果、仿真結(jié)果與設(shè)計目標(biāo)對比

針對擬開發(fā)車輛的實車測試數(shù)據(jù)、CRUISE仿真結(jié)果與開發(fā)前的設(shè)計目標(biāo)對比分析，結(jié)果如表5所示。經(jīng)過理論計算匹配的動力系統(tǒng)滿足整車動力性經(jīng)濟性要求。車輛試驗完成后，整理試驗數(shù)據(jù)，對比分析仿真數(shù)據(jù)和理論計算結(jié)果，對仿真模型參數(shù)進行優(yōu)化。

5 結(jié)語

本文基于某款純電動商用物流車的整車基本參數(shù)和性能要求，運用汽車?yán)碚撛O(shè)計法，對整車傳動比的匹配、驅(qū)動電機參數(shù)及動力電池系統(tǒng)參數(shù)進行了理論計算，對車輛的傳動比、驅(qū)動電機、變速箱和動力電池等重要零部件進行了選型。然后，再運用AVL CRUISE軟件搭建整車仿真模型，對車輛的動力性和經(jīng)濟性進行仿真分析，根據(jù)仿真分析的結(jié)果，驗證了理論計算的合理性和可行性，降低了產(chǎn)品在開發(fā)初期的盲目性。同時，在樣車下線調(diào)試完成后對車輛進行了試驗驗證，試驗驗證結(jié)果與仿真結(jié)果和理論計算結(jié)果相比，雖然有一定偏差，但均優(yōu)于設(shè)計要求。后續(xù)將根據(jù)試驗數(shù)據(jù)優(yōu)化理論計算方法、調(diào)整仿真模型參數(shù)設(shè)置，使理論計算結(jié)果和仿真結(jié)果更接近于實際試驗結(jié)果。

本文論述的內(nèi)容是一種較為實用的動力系統(tǒng)匹配設(shè)計方法，對純電動車輛的動力系統(tǒng)設(shè)計有著重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻：

[1]王志新，徐文琛，祁先學(xué).電動汽車動力匹配方案研究[J].內(nèi)燃機與配件，2022（22）：37-40.

[2]員汝娜，鄒忠月，張騰，等.基于CRUISE的純電動汽車性能仿真及測試驗證[J].汽車工程師，2019（10）：39-43.

[3]田韶鵬，韓煒.基于CRUISE的純電動客車動力匹配和仿真分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2018（4）：617-620.

[4]童寒川，夏偉.純電動客車動力匹配與仿真研究[J].汽車科技，2017（5）：53-59.

[5]吳浩.基于CRUISE的純電動客車動力系統(tǒng)匹配[J].北京汽車，2017（3）：1-5.

[6]電動汽車動力性能試驗方法 GB/T 18385—2005[S].

[7]電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法 GB/T 18386—2017[S].

作者簡介：

曾海軍，男，1981年生，工程師，研究方向為純電動商用車底盤研發(fā)與項目管理。