基于CRUISE的純電動客車動力匹配和仿真分析*

田韶鵬 韓 煒

(武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1) 武漢 430070) (武漢理工大學汽車零部件技術湖北省協同創新中心2) 武漢 430070)

0 引 言

純電動客車由于有著發出噪聲低、污染小等優勢，越來越被汽車制造商所看重.

車輛的動力性和經濟性是綜合評估汽車性能指標的重要參數，通過計算機軟件對汽車的各個部件進行建模并進行仿真研究分析，可以找到適合的設計方案，并為進一步的設計和開發提供基礎.王天利等[1]以續駛里程為優化目標，提高了整車的續駛里程，姜海斌等[2]分析了汽車的各項動力性能，并提出提高其動力性能的措施和方法，朱鵬飛等[3-4]對純電動汽車上的電機和電池等進行匹配選型，驗證了方法的有效性，王少凱[5]通過理論對比和計算，驗證了軟件的可行性，朱日瑩等[6]通過引入蓄電池荷電狀態，對汽車的傳動系比進行了優化分析，賈燕紅等[7-9]對整車進行了仿真計算，表明設計的參數能夠滿足要求.應用CRUISE軟件建立了純電動客車動力系統傳動模型，并利用軟件對其動力性和經濟性進行了模擬分析，為動力系統匹配選型提供了依據，驗證了研究方案的可行性.

1 純電動客車動力系統

純電動客車的動力性主要由最高車速、爬坡性能和加速性能來表示，而其經濟性主要由續駛里程來表示.純電動客車的動力傳動系統主要包括電池、電動機、變速器、主減速器、差速器及車輪等.電機驅動及電控系統是電動汽車的核心，也是與普通燃油哦汽車的最大區別之處.圖1為純電動客車的整車模型布置圖.

圖1 純電動客車整車模型圖

按照車輛動力系統的組成和匹配方式的不同，純電動客車動力驅動方式可以分為機械傳動式、無變速器式、無差速器式和電動輪式四種形式.本文使用機械傳動型，仍然采用傳統內燃機汽車的動力結構，保留其布置模式，只是用電動機替換了發動機，這樣的布置能夠增大客車起步時的起動轉矩及低速運轉時的后備功率，提高汽車的運動能力，降低了對電機的規范指標，能夠有更多

的電機選擇.

2 動力系統的參數匹配

2.1 整車參數和設計要求

本文所研究的純電動客車整車參數見表1，根據其整車參數和指標，對其動力系統的各項要求進行研究和匹配，以滿足相關性能指標的要求.

表1 整車參數

根據本文所研究的純電動客車，設計其動力系統的匹配主要影響其動力性及經濟性，通過動力匹配應滿足一定的設計要求，保證其符合相關的性能指標，主要包括加速時間、最高車速、最大爬坡度和續駛里程，通過研究這幾個性能指標可以使純電動客車符合相應的匹配標準，滿足性能要求.具體的性能設計要求：0～50 km/h加速時間為20 s；最高車速為70 km/h;最大爬坡度為15%；續駛里程為200 km.

2.2 驅動電機參數匹配

純電動客車在最高車速、加速和以某一速度勻速爬坡時這三個性能指標要求下行駛時，電機的需求功率為

(1)

(2)

(3)

式中：vmax為最高車速；δ為車輛旋轉質量換算系數，取1.05；vm為車輛加速的目標速度；tm為車輛加速所需時間；αmax為車輛的最大爬坡度；vi為車輛爬坡時的速度.

所選取的電機功率應該同時符合上述的三個指標，經過計算結合實際的電機型號，取電機的峰值功率為140 kW，選取的電機主要相關性能指標：額定功率為140 kW；額定轉速為1 050 r/min;最高轉速為2 500 r/min；最大轉矩為 2 500 N·m;額定電壓為320 V.

選用的驅動電機性能特性曲線見圖2.在低轉速區域，電機具有保持恒定轉矩的特點；而在高轉速區域，電機具有保持恒定功率的特點.

圖2 驅動電機外特性曲線

2.3 電池參數匹配

電池在純電動客車中儲存著汽車運行所需要的能量，它需要與電機和車輛的續駛能力等相結合，通過考慮車輛的經濟性能，選取的電池各項性能：電池容量為140 Ah；額定電壓為320 V.

2.4 傳動比的匹配

在純電動客車中，主減速器和變速箱的目的主要是減速增矩，以適應啟步、加速和爬坡等各種工況下所需求的高轉矩和轉速.通過考慮電動機的選取和性能，為了進一步提升純電動客車的動力性能和經濟性能，在本設計中選擇一個三擋變速箱.

分別考慮客車的最高車速和最大爬坡度，由此來確定主減速器和變速箱傳動比的設計范圍和要求.變速器的直接擋傳動比為1，主減速器的傳動比為

i0≤0.377nmaxr/vmax

(4)

式中：nmax為最高轉速；r為輪胎滾動半徑；vmax為最高行駛車速.

為了使電動機在處于最高車速運行時，可以獲得較高的運行效率，主減速器的傳動比同時應該符合

i0≥0.377nepr/vmax

(5)

式中：neq為電機最大功率點轉速.將各參數代入，結合其他選型，可取i0=4.875.

主減速器的傳動比選定后，根據客車的最大爬坡度，確定其各擋傳動比，這里確定變速器有三個擋位，直接擋的傳動比最小，結合其選型，最終可以確定其各擋傳動比參數：i0為4.875；ig1為2.8；ig2為1.36；ig3為1.

3 純電動客車整車模型的建立

3.1 CRUISE運行流程

根據純電動客車動力系統的組成成分，在軟件運行窗口內添加機構內組件模塊，如電機、電池、變速器、主減速器、差速器和車輪等基本構成模塊.

根據純電動客車整車參數以及各個內部部件相應的參數對搭建的模塊各項參數進行預設定.

根據純電動客車內各組成部件的動力傳遞關系及輸入輸出信號相互聯系對每個部件進行物理和電氣信號連接.

依據仿真設計目標的要求，設定幾種不同的運行工況程序，如最大爬坡度、加速時間、最高車速和續駛里程等.

3.2 CRUISE仿真內容

循環行駛工況：這個運行工況任務主要是能夠測定車輛在UDC(城市循環工況)和 NEDC(城市郊區循環工況)等不同的循環運行狀況下燃油消耗程度即耗電量和各種排放指標等.

1) 爬坡性能分析 這個工況任務主要是指模擬仿真汽車在行駛過程中在其各個運行速度情況內不同擋位下的最大爬坡度，同樣可以計算根據用戶自己的條件設定仿真計算在某一特定轉速下的汽車的最大爬坡度.

2) 穩態行駛性能分析 這個行駛工況包含各擋性能計算和最高車速兩個子任務，可以用來計算在設定的不同擋位下等速行駛百公里油耗量和排放量，也可以計算在不同的傳動比設定下的理論最高車速和真實最高車速.

3) 全負荷加速性能分析 包含各擋最大加速性能計算(maximum acceleration in all gears)、原地啟步連續換擋加速性能計算(shifting gears from standstill)和超車加速性能計算(elasticity)三個不同的子任務.其中各擋的最大加速性能計算可以得到指定汽車在每個不同的擋位下能夠達到的最大加速度；原地啟步連續換擋加速性能計算可以計算出車輛在連續換擋的條件下從靜止開始啟步并且達到某一特定車速的加速性能分析：超車加速性能計算能夠得到車輛在某一初始速度條件下加速到一個特定車速的超車加速時間.

3.3 純電動客車整車模型

根據純電動客車的動力傳遞路徑：電機→離合器→變速器→主減速器→差速器→車輪，搭建汽車的傳動形式.其中在模型的建立過程中包括機械和電氣兩種連接，通過正確連接后的模型見圖3.然后對其中每個模塊的參數進行設定.根據計算任務的要求，設置對應的仿真任務，并進行仿真分析計算.

圖3 純電動客車整車模型

在整車傳動結構搭建以后，還需要完成內部結構參數設定.在以上仿真結構中，依據汽車外部形狀尺寸和研究目標，同時以上各內部結構型號標準，對每個組件完成標準設定.

4 仿真結果分析

4.1 動力性能分析

汽車的動力性能是研究汽車的性能指標好壞的關鍵因素，純電動客車的動力性能研究指標主要包括最高車速、加速時間和最大爬坡度.

4.1.1最高車速和加速時間

圖4為速度特性曲線，由圖4可知，0～50 km/h的加速時間為12.96 s.滿足設定的加速時間20 s的要求.該車所能達到的最大車速為82.7 km/h.此時，電機轉速為2 500 r/min.達到了設定最高車速70 km/h的要求.因此，該設計滿足了汽車道路行駛的要求.

圖4 速度特性曲線

4.1.2最大爬坡度

汽車的最大爬坡度是汽車的一項重要的動力評價指標，見圖5.由圖5可知，該車最大爬坡度為19.8%，當加速到20 km/h時，能達到的最大爬坡度為16.8%.當加速到40 km/h時，能達到的最大爬坡度為7.4%.當加速到60 km/h時，能達到的最大爬坡度為4.2%.滿足設定的爬坡指標15%的要求.說明該車的爬坡性能滿足設計行駛目標.

把每一個仿真程序所得結論與研究指標進行比較，得出的理論見表2.

表2 計算結果與設計要求結果對比表

由表2可知，利用軟件CRUISE進行仿真研究得到的純電動客車相應動力性能參數總體上達到了初始的研究目標，進一步確定了動力系統指標選取研究的可行性.

4.2 經濟性能分析

車輛的續駛里程是指電池在設定的電量間能夠使汽車行駛的最大里程.在本研究中設定電池的SOC值從90%變化到10%，測定相應的續駛里程，見圖6.圖6可知，續駛里程為231.29 km，達到了設定預期的續駛里程大于200 km的要求，符合設計指標，同時達到使電池深度放電的要求.

圖6 續駛里程特性圖

5 傳動比分析

表3為新設計的四種傳動比的設計方案.

表3 傳動比匹配方案表

利用CRUISE軟件，對以上四種方案完成動力性和經濟性的仿真研究，并與最初方案進行對比，得出的對比結論見表4.

表4 仿真結果對比表

對比最初方案與方案1和方案2可知，當汽車的最大傳動比和最小傳動比保持恒定時，變化其中的傳動比并不會使汽車的最高車速和最大爬坡度發生改變，但是這樣改變了加速時間，這是由于在汽車的處于加速狀態時，車輛在第一和第二擋位時的運行情況有差別，并不是其中擋位的傳動比越大，加速性能就越好.

對比初始方案和方案3可知，加大主減速器的傳動比，相當于整車的各擋傳動比都變大了，所以方案三的爬坡性能得到了提高，同時車輛的加速時間也變短了，但是車輛的最高車速降低了一部分.這是由于方案3中每一個擋位的傳動比都增大了，因此汽車的動力性能就提高了，汽車的加速能力也因此加大.因而方案3的各項動力性都比原方案好.

對比方案1和方案4可知，由于加大了最大傳動比，因此最大爬坡度提高了，最小傳動比恒定，因此最高車速仍然恒定.方案4中，汽車的爬坡能力和加速能力都要比方案1好，原因是方案4總體的傳動比設定要比方案1大.

當一些條件保持恒定的情況下，進一步加大主減速器的傳動比，能夠加強汽車的爬坡能力和加速能力，還能夠采用優化最小傳動比，讓汽車工作在效率較好的范圍，從而提高汽車的經濟能力.仿真分析得到的結論和真實運行情況相一致，進一步達到了使用CRUISE軟件完成仿真分析的有效性.

6 結 論

1) 利用CRUISE軟件建立某純電動客車的動力系統模型，并且利用軟件完成了仿真設計，分析了客車的動力性和經濟性.首先依據車輛參數的各項設計目標，綜合考慮車輛的動力性和經濟性，對動力系統進行了參數匹配，并進行了選型.然后應用CRUISE軟件對其進行仿真分析，驗證了參數匹配設計的正確性和可行性，并研究了傳動比設計對整車性能的影響.

2) 通過觀察仿真結果，所設定的客車在0～50 km/h的加速時間為12.96 s，達到了小于20 s的需求；爬坡性能為19.8%，符合15%的要求；最高車速能夠達到82.7 km/h，滿足了70 km/h的要求；續駛里程為231.29 km≥200 km，滿足實際工況需求.

3)當其它條件不變時，增大主減速器傳動比可以提高汽車的爬坡能力和加速能力，并且通過優化傳動比可以提高汽車的工作效率，驗證了仿真分析的真實可靠，為接下來的研究提供了基礎.