純電動城市物流車動力系統參數匹配與性能仿真

朱彥云 Zhu Yanyun

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純電動城市物流車動力系統參數匹配與性能仿真

朱彥云 Zhu Yanyun

（武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室 汽車零部件技術湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430070）

針對一款已知基本參數的純電動城市物流車，根據整車性能目標參數，對動力系統主要部件進行參數設計和選型。之后基于Cruise仿真軟件搭建整車模型，并從動力性和經濟性兩方面分析整車性能，驗證匹配設計的合理性。

純電動城市物流車；動力系統；匹配；仿真

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展，人們對各類生活用品的需求量大幅上升，極大地促進了我國城市物流運輸行業的發展[1]。然而，城市物流車數量的迅速增長也給城市發展帶來了交通擁擠、汽車尾氣污染等一系列問題。為解決上述問題，開發一款專用的純電動城市物流車十分迫切。

1 動力系統匹配設計

1.1 動力系統結構形式

傳統驅動布置形式對電機及其控制系統要求較低，這種布置形式既能夠提高整車起動轉矩，增加低速時的后備功率；又可以更好地利用傳統燃料城市物流車的底盤，大大降低開發成本；所以，采用如圖1所示的傳統驅動布置形式。

注：M－電機；GB－變速箱；D－差速器；C－離合器。

1.2 動力系統參數匹配

整車基本參數與整車性能目標參數分別見表1、表2。

表1 整車基本參數

參數 數值 外形尺寸/mm4 150×1 620×1 905 整車整備質量/kg2 085 滿載質量m/kg3 100 迎風面積A/m2 2.64 風阻系數CD 0.5 滾動阻力系數f 0.013 旋轉質量換算系數δ 1.06 傳動效率ηt/% 85 輪胎175/70R13LT

表2 整車性能目標參數

參數數值 最高車速vmax/（km/h）≥95 最大爬坡度imax/%≥20 0～50 km/h加速時間tm /s≤10 等速行駛里程/km≥180 循環工況行駛里程/km≥130

1.2.1 電機參數匹配

整車性能的優劣在很大程度上取決于電機[2]，電機需要匹配的參數主要有額定功率與峰值功率、額定轉速與峰值轉速、額定轉矩與峰值轉矩[3]。

1）額定功率與峰值功率的確定

最高車速時電機功率峰1為

當以=20 km/h的恒定車速爬坡時，電機的功率峰2為

（2）

加速過程中電機最大功率峰3為

式中，m為加速時間，；m為加速末時刻的速度，km/h。

電機需要保證純電動城市物流車在最高車速、爬坡、加速等各種工況下都可以正常行駛，因此電機的峰值功率峰為：，故電機的峰值功率取為峰=58.0 kW。

電機的額定功率e為

式中，為電機過載系數，一般取值2～3，文中選取=2。

2）額定轉速和最高轉速的確定

電機轉速是電機的主要參數之一，會對電機的價格、大小、生產工藝等產生很大影響。選用最高轉速max=4 000 r/min的低速電機作為驅動電機。電機的額定轉速e與最高轉速max關系如下

式中，為恒功率區擴大系數，一般取值2～4，文中選取=3。

3）額定轉矩和峰值轉矩的確定

電機的額定轉矩e為

電機的峰值轉矩

（7）

最終選取某款永磁無刷直流電機作為驅動電機，其參數見表3。

表3 電機主要參數

性能參數數值 額定功率/kW 29 峰值功率/kW 58 額定轉速/（r/min）1 370 最高轉速/（r/min）4 000 額定轉矩/N·m 202 峰值轉矩/N·m 404

1.2.2 傳動系統參數設計

將變速器的最高擋位設計成直接擋，所以傳動系統最小傳動比min等于主減速器傳動比0。

（1）最小傳動比確定

最小傳動比min可以通過整車最高速度計算得到[4]，其計算公式為

式中，為車輪滾動半徑，m；max為變速器輸入端最高轉速，r/min。選取主減速器傳動比0為3.175。

2）通過最大爬坡度計算最大傳動比

3）確定滿足附著條件的最大傳動比

（10）

式中，為附著系數，對于混凝土和瀝青路面一般取值0.5～0.6[3]。

4）確定變速器的擋位數與各擋傳動比

根據等比分配原則，變速器不同擋位傳動比的實際分布關系為

最終設計的變速器傳動比見表4。

表4 自動變速器參數

參數數值 I擋傳動比i12.35 Ⅱ擋傳動比i21.53 Ⅲ擋傳動比i31

1.2.3 動力電池參數設計

選擇動力電池組的總電壓為330 V，單體額定電壓為3.3 V，將100塊單體電池串聯起來得到所需的動力電池組。

純電動城市物流車以40 km/h的車速勻速行駛180 km，驅動電機所需的功率re為

目標行駛里程下動力電池組需要的總容量為

（12）

式中，obj為勻速行駛車速，km/h；obj為目標行駛里程，km；m為電機工作效率。考慮一定余量，選取=110 Ah。

綜上所述，最終選定的動力電池組性能參數見表5。

表5 動力電池組主要性能參數

性能參數數值 電池種類磷酸鐵鋰電池 單體電壓/V 3.3 電池總數/塊100 總電壓/V330 額定容量/Ah110

2 整車建模與仿真

2.1 整車模型建立

基于AVL Cruise仿真軟件建立整車模型的過程中，只需將整車模塊、電機模塊、電池模塊、變速箱模塊、車輪模塊等從模塊庫中拖入建模窗口，建立各模塊之間的機械連接、電氣連接以及信號連接，并在各模塊輸入界面中輸入相應的參數，之后設置計算模式，整車仿真模型如圖2所示。

2.2 仿真結果分析

2.2.1 動力性仿真結果分析

1）最高車速仿真結果分析

純電動城市物流車的電機功率-行駛阻力功率平衡圖如圖3所示。由圖可知，整車的最高速度為133 km/h，滿足設計要求。

圖2 純電動城市物流車性能仿真模型

注：Pf為滾動阻力矩；Pw為空氣阻力矩。

2）0～50 km/h加速時間仿真結果分析

0～50 km/h加速時間仿真結果如圖4所示。由圖可知，0～50 km/h加速時間為9.3 s，滿足設計要求。

3）最大爬坡度仿真結果分析

最大爬坡度仿真結果如圖5所示。由圖可知，最大爬坡度為31%，滿足設計要求。

2.2.2 經濟性仿真結果分析

1）等速行駛里程

使整車以40 km/h的速度勻速行駛，直到SOC達到所設定的10%臨界值。等速行駛仿真計算時行駛里程與SOC的變化關系如圖6所示，由圖可知，在SOC從95%下降到10%的過程中，行駛里程達到了191 km，滿足設計要求。

2）循環工況行駛里程

在AVL Cruise仿真軟件中對純電動城市物流車進行中國典型城市道路循環（Chinese Typical Urban Driving Cycle，CTUDC）行駛里程試驗，CTUDC工況圖如圖7所示。

使純電動城市物流車運行在不斷循環的CTUDC工況下，直到SOC達到所設定的10%。CTUDC工況下的行駛里程與SOC的變化關系如圖8所示，從圖中可以看出，在SOC從95%下降到10%的過程中，行駛里程達到了142 km，滿足設計要求。

將仿真結果與設計要求進行對比分析，所設計的純電動城市物流車的動力系統能夠滿足整車的設計要求，見表6。

表6 整車綜合性能仿真結果與設計要求對比表

參數仿真結果設計要求 最高車速/（km/h）133 95 最大爬坡度/% 31 20 0~50 km/h加速時間t/s 9.3 10 等速行駛里程/km191180 CTUDC工況行駛里程/km142130

3 結 論

根據整車基本參數與性能目標參數，采用理論計算的研究方法，主要從動力性和經濟性兩個方面對純電動城市物流車動力系統中的電機、主減速器、變速器與動力電池組進行合理的參數匹配。基于仿真軟件Cruise搭建整車性能仿真模型，同時完成對其動力性與經濟性的仿真分析。通過仿真結果與整車性能目標參數的對比，驗證了匹配設計的動力系統完全滿足整車的設計要求，為純電動城市物流車的動力系統匹配設計提供了一套可行的設計流程，為后續整車性能的優化奠定了基礎。

[1]宋朋，黃睿. 2014年城市物流車市場現狀及未來發展趨勢[J]. 專用汽車，2015（3）：48-50.

[2]袁苑，錢立軍，許宏云，等. 基于CRUISE中型純電動客車動力匹配仿真[J]. 農業裝備與車輛工程，2012，50（5）：15-18.

[3]余志生. 汽車理論[M]. 北京：機械工業出版社，2009.

[4]劉靈芝，張炳力，湯仁禮. 某型純電動汽車動力系統參數匹配研究[J]. 合肥工業大學學報（自然科學版），2007，30（5）：591-593.

2017-03-29

1002-4581（2017）04-0022-05

U469.72：TP391.9

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.04.007