基于Cruise 的純電動(dòng)車(chē)動(dòng)力匹配仿真開(kāi)發(fā)

夏濤

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

0 引言

發(fā)展新能源汽車(chē)已成為社會(huì)共識(shí)，更成為中國(guó)舉國(guó)上下推動(dòng)的可持續(xù)發(fā)展國(guó)家戰(zhàn)略之一。在國(guó)家利好政策驅(qū)動(dòng)下，純電動(dòng)車(chē)取得了快速發(fā)展。純電動(dòng)商用車(chē)相對(duì)于純電動(dòng)乘用車(chē)而言，從充電站、性能要求到維修、保養(yǎng)都有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1]。在開(kāi)發(fā)初期采用專(zhuān)業(yè)仿真軟件對(duì)純電動(dòng)車(chē)進(jìn)行建模及仿真研究，能節(jié)省大量的時(shí)間，并使模型過(guò)程簡(jiǎn)單化[2-3]。

本文以公司純電動(dòng)商用旅游客車(chē)開(kāi)發(fā)為例，在動(dòng)力參數(shù)匹配中首先確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成，根椐續(xù)駛里程設(shè)計(jì)要求選擇動(dòng)力電池容量，以實(shí)現(xiàn)綜合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。并利用Cruise 軟件對(duì)純電動(dòng)車(chē)進(jìn)行整車(chē)建模，對(duì)其動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行仿真分析研究。

1 純電動(dòng)客車(chē)的參數(shù)匹配

1.1 基本參數(shù)及設(shè)計(jì)要求

電動(dòng)客車(chē)的動(dòng)力性能主要取決于動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配，本文所涉純電動(dòng)客車(chē)的基本參數(shù)和性能指標(biāo)要求如表1、表2 所示。通過(guò)理論計(jì)算，完成純電動(dòng)客車(chē)的動(dòng)力匹配，主要包括對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池等總成的選擇等[4]。然后，利用Cruise 軟件對(duì)該車(chē)進(jìn)行整車(chē)建模,并對(duì)其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析研究。

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

表2 純電動(dòng)汽車(chē)性能指標(biāo)Tab.2 Performance target of pure electric vehicle

1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的確定

驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能是決定整車(chē)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素之一。選擇電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要匹配的主要參數(shù)有電機(jī)的類(lèi)型、功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等。電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率應(yīng)能滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)對(duì)最高車(chē)速、最大爬坡度以及一定加速時(shí)間滿(mǎn)足一定加速度的要求[5-7]。

（1）確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率

車(chē)輛最高行駛車(chē)速100 km/h 需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的功率為

根據(jù)整車(chē)最大爬坡性能確定最大功率為

車(chē)輛在水平路面上行駛一定速度的加速時(shí)間也是反映車(chē)輛動(dòng)力性的重要指標(biāo)，假設(shè)整車(chē)在平坦路面加速，瞬態(tài)過(guò)程總功率等于加速過(guò)程的末時(shí)刻t 時(shí)電動(dòng)汽車(chē)需求最大功率為Pmax3,并且假設(shè)dv/dt=Vt/T(勻加速時(shí)間為T(mén)）。則整車(chē)加速功率需求可以簡(jiǎn)化為

最后，確定的電動(dòng)汽車(chē)總功率必須滿(mǎn)足下面的條件，即Pmax≥max[Pmax1，Pmax2，Pmax3]：式中：Pmax——驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大需求功率；Vmax——車(chē)輛最高車(chē)速；ηt——系統(tǒng)傳動(dòng)效率；t——加速時(shí)間；Vt——加速時(shí)間t 最終車(chē)速；σ——汽車(chē)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(jì)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(jī)扭矩

因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車(chē)完全由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，電機(jī)必須能夠?yàn)檐?chē)輛提供充足的加速功率和爬坡扭矩，因此，電機(jī)的扭矩參數(shù)要根椐整車(chē)的爬坡性能確定。車(chē)輛在一定的車(chē)速下能夠爬上的坡度大小反映了車(chē)輛的爬坡性能，則

式中：Tmax——驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大扭矩需求；imax——車(chē)輛最大爬坡度需求；ηt——系統(tǒng)傳動(dòng)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(chē)速確定電機(jī)最大轉(zhuǎn)速

電動(dòng)機(jī)的最高車(chē)速可由客車(chē)的最高車(chē)速確定，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系以及相應(yīng)的支撐條件，可得：

式中：Nmax——驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需最大轉(zhuǎn)速；Vmax——車(chē)輛最高車(chē)速；r ——車(chē)輪滾動(dòng)半徑。

將上述參數(shù)代入式（5）得Nmax=3 824 r/min。

（4）驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇

根椐驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)際特點(diǎn)，合理過(guò)載系數(shù)，選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)合理轉(zhuǎn)速及最高轉(zhuǎn)速。綜合以上計(jì)算結(jié)果和分析，本車(chē)型選用永磁直流電機(jī)，該電機(jī)主要性能參數(shù)如表3 所示。

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

1.3 動(dòng)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(zhǎng)、安全系數(shù)高等特點(diǎn)。本車(chē)型選用磷酸鐵鋰電池，電壓平臺(tái)選用高壓平臺(tái)。

純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程S 所需能量可用等速法和工況法來(lái)計(jì)算，在初步設(shè)計(jì)中采用等速法來(lái)進(jìn)行續(xù)航里程理論核算[8-10]。所以純電動(dòng)客車(chē)以Va等速行駛的阻力功率及整車(chē)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(shè)計(jì)要求；pm——電機(jī)控制器輸入功率；ηm——電機(jī)及電機(jī)控制器總成效率；Wr——純電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程S 所需要的能量。

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

代入式（6）—式（8）得 Eb≥135.99 kW·h。

因目前市場(chǎng)上純電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力電池都采用標(biāo)準(zhǔn)箱，本車(chē)型動(dòng)力電池組選用4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)箱串聯(lián)而成，動(dòng)力電池組相關(guān)參數(shù)信息如表4 所示。

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

2 基于Crusie 的純電動(dòng)客車(chē)建模與仿真

2.1 基于Crusie 建模

2.1.1 整車(chē)模型建立[11]

Crusie 軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法可搭建多種結(jié)構(gòu)形式的汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)模型，并可針對(duì)性地制定多種性能仿真任務(wù)。本文整車(chē)模型選用整車(chē)模塊、駕駛室模塊、單級(jí)減速模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、車(chē)輪和制動(dòng)器等模塊，建立模型如圖1 所示。

圖1 基于Crusie 建立純電動(dòng)車(chē)模型Fig.1 Building a pure electric vehicle model based on Cruise

2.1.2 整車(chē)模型參數(shù)設(shè)置

整車(chē)模型的機(jī)械連接和信號(hào)連接完成后，整車(chē)模型中各模塊的參數(shù)需要進(jìn)行設(shè)置，輸入?yún)?shù)包含整車(chē)參數(shù)（如迎風(fēng)面積、軸距、空氣阻力系數(shù)、整車(chē)整備質(zhì)量、總質(zhì)量、滾動(dòng)阻力系數(shù)，電機(jī)特性參數(shù)、主減速比、動(dòng)力電池參數(shù)、車(chē)輪半徑、傳動(dòng)效率等。

2.1.3 設(shè)定計(jì)算任務(wù)

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

圖2 NEDC 工況車(chē)速與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)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(chē)速分析

根據(jù) Cruise 軟件的 result 報(bào)告，該車(chē)最大速度為105 km/h，滿(mǎn)足本車(chē)最高速度100 km/h 的設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 最大爬坡度分析

本車(chē)型匹配對(duì)象的最大爬坡度曲線(xiàn)如圖3 所示。由圖3 可知,該車(chē)在速度30 km/h 時(shí),最大爬坡度達(dá)22.68%。滿(mǎn)足本車(chē)最大爬坡度20%的設(shè)計(jì)要求。

圖3 整車(chē)爬坡度仿真曲線(xiàn)Fig.3 Vehicle climbing slope simulation curve

2.2.3 加速工況分析

本車(chē)型各速度加速時(shí)間仿真曲線(xiàn)如圖4所示。車(chē)輛0～40 km/h 的加速時(shí)間為6.45 s，40～80 km/h 的加速時(shí)間為19.15 s。

圖4 整車(chē)加速度仿真曲線(xiàn)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(xiàn)如圖5 所示。

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

設(shè)動(dòng)力電池放電系數(shù)為0.9。則等速60 km/h工況情況下整車(chē)?yán)m(xù)航里程為

代入式（9）得S1=235.7 km。

式中：E——?jiǎng)恿﹄姵亟M總?cè)萘浚琸W·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(gè)NEDC 循環(huán)工況動(dòng)力電池與續(xù)航里程仿真變化曲線(xiàn)如圖6 所示。設(shè)動(dòng)力電池放電系數(shù)為0.9。則在NEDC 工況情況整車(chē)?yán)m(xù)駛里程為

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

代入式（10）得S2=152.1 km。

式中：E——?jiǎng)恿﹄姵亟M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(duì)比

設(shè)計(jì)要求、理論計(jì)算與仿真結(jié)果對(duì)比如表5所示。仿真結(jié)果表明，本車(chē)型選定的動(dòng)力源的最高車(chē)速、最高爬坡度、加速性能、續(xù)航里程均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

基于Cruise 的整車(chē)動(dòng)力性能仿真計(jì)算結(jié)果表明，該純電動(dòng)旅游客車(chē)動(dòng)力源的選型符合車(chē)輛整車(chē)性能要求，并與理論計(jì)算的結(jié)果非常接近，驗(yàn)證了仿真模型的正確性和有效性，為電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)、動(dòng)力參數(shù)匹配提供了一種有效的方法參考，仿真結(jié)果對(duì)實(shí)車(chē)試制階段的工作也有一定參考價(jià)值。