基于Cruise 的某純電動商用汽車動力系統參數匹配及仿真研究

章印，王彧喧，吳鷹，萬茂松

（1.211800 江蘇省 南京市 南京依維柯汽車有限公司；2.210037 江蘇省 南京市 南京林業大學 汽車與交通工程學院）

0 引言

全球環境污染，溫室效應不斷加劇，化石燃料日漸短缺，傳統燃油汽車尾氣排放、噪聲對城市環境的污染越來越大，日益增長的汽車需求使得以上問題日益嚴重。據統計，每年全球因空氣污染導致的死亡人數高達約650 萬[1]。為響應“綠水青山就是金山銀山”號召，近年來大力發展新能源汽車產業成為我國汽車工業的新趨勢。開發一款全新的純電動汽車開發周期長，成本高，而企業在傳統的燃油車平臺進行電動化開發是一種高效方法。在滿足整車總布置的基礎上，進行純電動汽車動力系統參數合理匹配至關重要，這決定了整車的動力性、經濟性。

純電動汽車動力系統由電池、電機、電機控制器和傳動系統組成[2]。本車型在某傳統燃油車平臺基礎上進行電動化開發，通過理論計算確定電機及電池組型式和主要參數，并結合市場選擇合適的供應商，然后利用動力性、經濟性仿真軟件AVL-Cruise 進行仿真，驗證了匹配結果的正確性。

1 動力系統參數匹配

1.1 純電動汽車整車基本參數及性能指標

本文以某款傳統燃油廂式貨車為原型，根據確定的整車性能目標，新開發一款純電動廂式貨車。純電動廂式貨車整車基本參數見表1，整車性能目標如表2 所示。

表1 整車基本參數Tab.1 Basic parameters of the whole vehicle

表2 整車性能目標Tab.2 Vehicle performance objectives

1.2 電機選型及參數匹配

（1）電機類型選擇

電機的主要類型有直流電機、交流感應電機、開關磁阻電機和永磁同步電機。在以上4 種電機中，雖然永磁同步電機在實際使用過程中存在電機過載易帶來電機過熱，電機工作效率過低的問題，但永磁同步電機的優點是尺寸小，重量輕，便于進行整車布置；永磁同步電機轉子上沒有繞組，具有很高的峰值效率和負荷效率；同時永磁同步電機成本低、便于維修[3]。綜合各因素，選擇永磁同步電機作為驅動電機。

（2）電機參數選擇

在選取電機峰值功率時，需要綜合考慮最高車速、最大爬坡度、加速性能3 項內容的需求[4]。因此電機峰值功率Pmax應不小于3 項指標分別所需功率的最大值

式中：Pv，Pi，Pj——滿足最高車速、最大爬坡度、加速性能下的需求功率。

滿足汽車最高車速要求的對應功率計算式如式（2）：

式中：umax——最高車速，km/h；ηT——汽車傳動系總效率；CD——風阻系數；A——迎風面積；f——滾動阻力系數。

滿足最大爬坡度的需求功率計算式為：

式中：ui——以最大爬坡度爬坡時的車速，km/h。

在實際設計過程中，計算電機加速時需求功率如下：

式中：δ——旋轉質量換算系數，取1.05；dt——迭代步長，取0.1 s；x——耦合系數，取0.5；tm——汽車的加速時間，s；um——汽車加速末的速度，km/h。

根據GB/T 18385-2005《電動汽車 動力性能 試驗方法》的規定，式（2）和式（4）中，m的取值為電動汽車整備質量和附加質量之和，本文中的附加質量為最大允許裝載質量的一半（800 kg）。式（3）中，m 的取值為最大設計總質量。根據以上各式和表1、表2 中參數可求得Pmax≥101.99 kW。

驅動電機的額定功率應當滿足最高車速巡航的要求即Pe≥Pi，即Pe≥38.32 kW。

額定功率與最大功率滿足式（5）：

式中：λ——電機過載系數，通常永磁同步電機過載系數為1.3～2.0（峰值功率與額定功率之比）[5]，因此額定功率Pe=51.01～78.45 kW。

電機的最高轉速應能滿足最高車速要求，如式（6）：

式中：i0——主減速比；r ——車輪半徑。

求得電機最高轉速nmax=3 563 r/min。

電機的峰值扭矩應至少滿足爬坡需求，因此電機峰值扭矩如下：

求得電機的峰值扭矩T=877 N·m。

根據以上計算結果，按照取大原則，初選電動汽車電機參數如表3 所示。

表3 電動汽車電機參數表Tab.3 Parameters of electric vehicle motor

1.3 電池選型及參數匹配

電池組容量取決于整車的設計續駛里程，汽車勻速行駛時所需功率為

電池組電量Q 的計算表達式為

式中：P——車輛40 km/h 勻速行駛時所需功率；s——續駛里程；η1——電機及電機控制器效率，取0.85；u——車速。放電深度取值為90%。

根據《2020 年新能源汽車推廣補貼方案及產品技術要求》：純電動貨車單位載質量能量消耗量（Ekg）不高于0.29 (W·h)/(km·kg)。

式中：E——按電動汽車GB/T 18386.1-2021《電動汽車能量消耗量和續駛里程試驗方法 第1 部分：輕型汽車》中消耗的電能除以行駛里程所得的值；M——附加質量，最大允許裝載質量的一半（800 kg）。

根據式（9）和式（10）求得電池電量：76.6 kW·h ≤Q ≤95.38 kW·h。

根據所選電機供應商提供的數據，電機額定輸入電壓為384 V。綜合考慮成本和使用場景的需要，選擇磷酸鐵鋰電池作為動力電池。電池由120 個標稱電壓為3.22 V 的電芯串聯而成，最終確定電壓平臺參數為386.4 V，滿足電機額定輸入電壓384 V 的要求。綜上所述，選取的動力電池參數如表4 所示。

表4 電動汽車動力電池參數表Tab.4 Parameters of electric vehicle power battery

2 Cruise 仿真分析

本文利用仿真軟件AVL-Cruise 建立整車的仿真模型，對該車的動力性和經濟性進行仿真和分析，驗證性能目標的合理性。Cruise 提供了友好的人機交互界面，用戶可以迅速添加模塊化組件，添加控制模塊，并正確連接數據總線即可得到整車模型。通過Cruise 仿真，可以在設計時不斷調整優化整車性能目標，從而為車輛的設計提供指導性的意見。

2.1 整車仿真模型的建立

汽車動力傳遞路線為電機→主減速器→差速器→半軸→車輪，在Cruise 軟件中建立如圖1 所示整車模型，設置相應各模塊參數和任務，并進行仿真計算。

圖1 純電動汽車Cruise 整車模型Fig.1 Cruise vehicle model of pure electric vehicle

2.2 AVL-Cruise 的仿真分析驗證

2.2.1 最高車速和加速時間驗證

由圖2 知，該車型最高車速達125 km/h，達到最高車速≥100 km/h 的性能目標，0～30 km/h加速時間為2.57 s，30～50 km/h 加速時間為2.75 s，0～100 km/h 加速時間為24.69 s，均滿足性能指標要求。

圖2 距離、速度、加速度隨時間變化曲線Fig.2 Variation curve of distance,velocity and acceleration with time

2.2.2 爬坡性能驗證

汽車最大爬坡度決定了汽車的爬坡性能，是衡量汽車動力性的一項重要指標。由圖3 可知，該車型最大爬坡度29.68%，滿足設計要求最大爬坡度≥25%的設計要求；25%爬坡度對應的爬坡車速為31 km/h，滿足25%爬坡度的爬坡車速≥10 km/h 的性能設計指標。

圖3 爬坡性能仿真Fig.3 Climbing performance simulation

2.2.3 續駛里程驗證

圖4 是40 km/h 等速行駛下電池SOC 值變化量與行駛里程的關系。

圖4 電池SOC 值與行駛里程的關系Fig.4 Relationship between battery SOC value and mileage

按GB/T 18386《電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》規定，設置試驗質量為滿載，在Cruise 中建立車速為40 km/h 的等速行駛工況，使該工況的時間足夠長，直到電池電量消耗完[6]。由圖4 可知，40 km/h 等速行駛工況，續駛里程為378.9 km，滿足設計要求。

3 結論

本文根據某純電動商用汽車的性能目標，對電池、電機參數進行了理論計算和選型，通過Cruise 建立了仿真模型，仿真結果顯示：最高車速125 km/h＞100 km/h，0～30 km/h加速時間為2.57 s，30-50 km/h 加速時間為2.75 s，0～100 km/h加速時間為24.69 s，滿足性能指標；最大爬坡度29.68%＞25%，25%爬坡度對應的爬坡車速為31 km/h＞10 km/h，均滿足設計要求；續駛里程為378 km＞370 km，滿足性能目標要求。

利用Cruise 進行性能仿真，可以縮短研發周期，為整車性能的制定提供指導性建議，仿真結果為實車試驗提供了重要的參考數據。