小城市電動物流汽車動力匹配設計與仿真研究

郭偉東

（南京交通職業技術學院，南京 211188）

小城市電動物流汽車動力匹配設計與仿真研究

郭偉東

（南京交通職業技術學院，南京 211188）

本文根據小城市電動物流汽車的應用特點及城市物流運輸工況，進行整車動力性能匹配設計，提出該車型的主要性能參數要求；并且針對我國特有的城市物流工況，在AVL-CRUISE的基礎上，建立了電動汽車的整車模型，對主要動力參數進行了仿真與驗證。同時，為完成原型車的設計和制造，根據匹配設計結果，進行實驗驗證，提升了該車能耗水平，延長了續駛里程。

小城市 電動物流車 動力匹配設計 仿真

引言

隨著工業化進程的不斷發展，傳統化石燃料車輛的不足逐漸顯現出來，因此為促進當今汽車行業的不斷發展，研發更加節能環保的交通工具成為首要任務。與傳統汽車相比，電動物理汽車具有結構簡單、噪聲低等優勢。特別是在城市工況下運行，電動汽車更加適宜。并且作為一項新興產品，電動汽車停止時，不消耗電量，在制動減速時，可以回收再利用能量，在我國具有得天獨厚的發展條件和廣闊的應用前景。

1 小城市電動汽車動力性能參數

1.1 電動汽車的受力

在行使過程中，電動汽車主要受驅動力和阻力兩部分的影響。電動機提供驅動力Fi，滾動阻力Ff、空氣阻力Fw、坡度阻力Fio、加速阻力Fj為其他阻力。受力平衡方程式為：

其中，ig表示變速傳動比，i0表示主減速器傳動比，ηt表示傳動系統效率，m表示汽車質量，GD表示空氣阻力系數，f表示車輪阻力系數，A表示迎風面積，δ表示汽車旋轉質量換算系數,v表示車速，va表示汽車與空氣相對速度。

1.2 電動城市物流汽車最高車速

當汽車所受驅動力和行駛阻力達到平衡時，汽車在無風的條件下具有的穩定車速，即為汽車最高車速。假設此時的坡度為0，加速度為0，根據動力學公式，那么汽車的最高車速為：

1.3 電動汽車電機機率

根據能量守恒定律，在電動物流汽車行駛過程中，獲得的功率也是平衡的。當風速v風=0時，為得到功率平衡方程式，可同時將公式（2）兩邊乘以車輛行駛速度，然后經過單位換算即可獲得。

電動汽車所受阻力消耗的功率包括滾動阻力功率Pf、加速阻力功率Pj、空氣阻力功率PW、坡度阻力功率Pio。

1.4 加速時間

汽車加速時間包括汽車的原地起步和超車加速時間，表示的是汽車的加速性能。原地起步加速時間是由第一檔起步，從靜止狀態下，以最大的加速強度逐步換到高檔后所需要的時間。

1.5 最大爬坡度

是指在良好的路面上，汽車滿載情況下，用第一檔克服的最大坡度，是用來表征汽車的爬坡能力。爬坡度用坡度的角度值的正切值的百分數來表示。

2 小城市電動物流汽車設計

2.1 城市物流特點

在城市交通中，加速道路一般車流量較大，如城市中的高架橋、準高速路等，基本上沒有紅綠燈。城市主干道車流量較大，一般為城市的三、四車道，有紅綠燈；細路人流量大，車速較慢，有紅綠燈，一般為城市的單行道或商業區道路。調查資料顯示，我國城市道路機動車平均車速為24.86km/h。

2.2 純電動城市物流汽車設計

在運行的過程中，城市物流汽車不是每次都滿載，每到一個卸貨點，汽車就會卸下一部分貨物，降低物流汽車的總質量。本文假設平均每天載貨量是滿載的80%，那么載貨質量城線性降低。小城市物流汽車專門針對城市內網購送貨。因此整車參數最大質量為1610kg，迎風面積為2.67m2，機械傳動效率為90%，風阻系數為0.5，車輪半徑為0.293m，質量轉換系數為1.04.純電動城市物流車的性能要求：最高車速為80km/h，最大爬坡度為≥20%，加速時間為≤15s（0～80km/h），最大續駛歷程為≥80，平均速度為30km/h。在水平路面上均速行駛時，電動汽車的驅動力等于滾動阻力和空氣阻力之和，即：

本文設計的純電動汽車是作為城市物流車的使用，因此，在良好的城市路面上行駛，驅動電力功率應大體等于一檔車速行駛時行駛阻力功率之和，爬坡度滿足i≥20%即可。在設定物流汽車的平均速度上，為計算汽車的額定功率，針對我國城市物流工況設定為30km/h。然后綜合以上兩方面可選額定功率為P=18.5kW。額定轉速為3000r，峰值功率45kW，最高轉速為6000r。

傳動比的選擇上，本文采用式（8）、（9）分別計算最大和最小傳動比。

電池匹配上，選擇電池單體電壓為3.2V，容量為63AH。確定單體電池數量采用工作電壓：

經計算，按照工作電壓確定的電池數量為100塊。確定單體電池數量采用了最大輸出功率：

按照最大輸出功率，經過計算確定的單體電池數為92塊。考慮安裝空間寫限制，在實際安裝過程中，最終裝在車上的電池數量為97塊。

3 小城市電動汽車CRUISE模型的建立與仿真

3.1 建立整車模型

電動物流車整車模型建立采用AVL-CRUISE軟件，利用軟件中的整車模塊、駕駛室模塊等完成整車模型的建立，如圖1所示。

圖1 純電動城市物流汽車模型

3.2 城市物流工況下的續駛里程仿真計算

結合城市物流的實際運行情況，通過研究城市小型物流車的運行特點，編制初步模擬城市物流工況的運行工況。假設貨物變化情況是在虛實歷里程內均勻降低，結合城市物流過程中貨物質量變化，在CRUISE中進行仿真模擬。其次針對城市物流運行工況，行駛里程計算結果，對NEDC工況進行了仿真計算。研究過程中，實際車輛的制造按照匹配結果制造出的實車（圖2）。并且為得到續駛歷程和SOC變化關系，采用真實路況的路跑對制造的實車進行試驗。

另外，本文對我國城市工況、NEDC工況分別進行了仿真計算，研究了SOC與行駛里程，獲得物流工況的純電動續駛里程為105km，平均速度為25.5km/h，SOC變化情況為95%～0%；NEDC工況的純電動續駛里程為98km，平均速度為33.6km/h，SOC變化情況為95%～0%；試驗工況的純電動續駛里程為85.2km，平均速度為24.9km/h，SOC變化情況為95%～15%。由此可見，針對城市物流工況對汽車進行匹配可以實現更大的續駛里程，電動汽車的續駛里程與汽車的運行工況有關系。因此針對特定的運行工況的匹配結果，可以更好地提高電動汽車的續駛歷程，可以更好地利用電動汽車的能量。

3.3 電動城市物流汽車爬坡性能、加速性能仿真計算

當爬坡度為20%時，汽車的最高速度完全滿足城市物流汽車的動力需求，最高扯碎可以達到19km。汽車最高車速為102km/h時，純電動城市物流汽車的加速性能能夠滿足設計時提出的設計要求。

圖2 電動城市物流車實車圖片

4 結論

針對城市物流車的運行工況，本文提出了純電動物流汽車的設計要求，并且為了對動力系統進行匹配設計通過了理論計算。最后對我國初設的城市工況和NEDC工況，采用AVL-CRUISE軟件進行了仿真。結果表明，在續駛里程方面，在NEDC工況下，通過我國城市物流運行工況匹配出的結果，匹配結果提高了7.1%。同時，試驗實車對模型的準確性進行了驗證，結果表明，針對我國城市物流工況的匹配設計可以提高能量的利用率，符合我國城市運行，可增加一定的續駛里程，仿真結果達到了實際設計要求。

[1]劉守霞，趙亞男，張昕.電動汽車在城市物流配送中的可行性分析［J］.佛山科學技術學院學報：自然科學版，2013，31（6）：9-12.

[2]常綠.純電動微型汽車動力傳動系參數設計及動力性仿真［J］.機械設計與制造，2010，（6）：43-45.

Design and Simulation of Electric Vehicle Power Matching in Small City

GUO Weidong
(Nanjing Communications Institute of Technology, Nanjing 211188)

According to the characteristics and application of city logistics transportation conditions of small city electric car logistics, matching design of vehicle dynamic performance, put forward the main performance parameters of the model according to the requirements; and city logistics condition of our country. On the basis of AVL-CRUISE, established the vehicle model of electric vehicles, the main dynamic parameters are simulated and verify. At the same time, in order to complete the design and manufacture of the prototype vehicle, according to the matching design results, the experimental verification, to enhance the level of energy consumption of the car, to extend the driving range.

small city, electric logistics vehicle, power matching design, simulation