純電動重型商用車動力參數匹配與仿真分析

摘要：純電動商用車是未來的重點研究對象。以某款純電動重型商用車的動力性與經濟性指標，對整車驅動電機、動力電池、主減速器等傳動裝置進行參數計算與匹配，然后基于AVL-CRUISE 仿真軟件構建整車模型，并驗證了參數匹配的合理性。

關鍵詞：純電商用車；動力參數匹配；AVL-CRUISE

中圖分類號：U472 收稿日期：2022-08-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.03.007

1 前言

環境污染、能源危機、國際局勢不穩定等因素制約了傳統內燃機汽車的發展，新能源汽車代替傳統汽車成為未來的發展趨勢。2020 年國務院發布《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035）》［1］，該文件指出了堅持電動化為發展新能源汽車國家發展戰略，以“三縱三橫”戰略突破節能技術。純電動汽車在新能源汽車中因為純電能驅動、零污染、噪音低等優點，而成為新能源汽車研究中的熱點。動力參數合理的匹配直接影響整車的成本、動力性和經濟性。相較于乘用車，商用車的承載能力強，并長期處于高負載狀態，能量利用率高，因此對其進行動力性匹配十分重要。

2 純電重型商用車動力參數匹配

2.1 整車參數及性能指標

本文以某純電重型商用車整車參數及性能指標為基礎，對電機、動力電池、主減速器和變速箱進行參數計算與匹配。整車參數如表1 所示，整車動力性與經濟型指標如表2 所示。

2.2 驅動電機參數匹配

在純電重型商用車中，驅動電機作為唯一的驅動部件，合理地對電機參數匹配，能提升整車動力性與經濟型，并且降低整車成本。電機的主要參數為最大功率、額定功率、最大轉速、額定轉速、最大扭矩、額定扭矩［2-3］。根據整車最高車速、加速性能、爬坡性能，并按照需求，本文選取永磁同步電機，最大轉速為4 500 r/min，額定轉速為1 350 r/min。

2.2.1 驅動電機最大功率

根據汽車動力學公式來計算車輛滿足最大動力性需求功率。

a. 根據最大速度確定驅動電機需求功率。根據目標車速≥90 km/h，計算驅動電機需求功率如下：

式中，g 為重力加速度；vmax 為最高車速，選取90 km/h；其余參數參照表1 選取。將所有參數代入式（1）中，可計算出Pmax1 為110.12 kW。

b. 根據加速性能確定驅動電機需求功率。根據0～50 km/h 加速時間≤15 s，計算驅動電機需求功率如下［4］：

式中，va 為0～50 km/h 加速末端速度；δ 為汽車旋轉質量系數，選取1.05；a 為加速度；ta 為加速所需時間，選取15 s；t 為加速時間；x 為擬合系數，選取0.5；其余參數參照表1 選取。由此可計算得出Pmax2 為147.77 kW。

c. 根據爬坡性能確定驅動電機需求功率。根據15 km/h 最大爬坡度≥16%，計算驅動電機需求功率如下：

式中，α 為最大爬坡角度；vc 選取15 km/h；c 為最大爬坡度，選取16%。其余參數參照表1 選取。由此可計算得出Pmax3 為111.65 kW。

最終確定驅動電機最大需求功率，即：

由式（8）得出Pmax≥147.77 kW，由于車輛上含有空調、燈光等電器附件，因此要考慮10%～20% 的功率余量［5］，本文選取電機最大功率為165 kW。

2.2.2 驅動電機額定功率

驅動電機額定功率選取，只需要滿足最大車速下穩定行駛即可，因此Pe ≥ Pmax1，Pe 選取110 kW。此時過載系數：

式中，λ 為過載系數，經過計算，λ 為1.5。

2.2.3 驅動電機轉矩

驅動電機轉矩直接影響車輛的爬坡性能，對轉矩的合理選擇可以提高最大爬坡度。由于電機特性，即額定轉速之前為恒轉矩區，額定轉速之后為恒功率區，因此本節用額定轉速和功率對驅動電機轉矩求解。計算公式如下：

式中，Tmax 為最大轉矩；Te 為額定扭矩；Pmax 為驅動電機最大功率，由1.2.1 節計算得出；Pe 為驅動電機額定功率，由1.2.2 節計算得出；ne 為驅動電機額定轉速，取1 350 r/min。由式（10）、式（11）計算得出，Tmax 選取1 170 N·m，Te 選取780 N·m。

綜上所述，驅動電機參數制定如表3 所示。

2.3 動力電池參數匹配

動力電池類型和容量大小的選取直接影響到動力電池的使用壽命和整車的續航里程。目前用在車輛上的電池分為鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池。相較于其他三種電池，鋰離子電池比能量高、比功率高、循環壽命高，并且鋰離子電池無污染、易維護、安全性高、快速充電時間短，因此本文選取鋰離子電池。對動力電池容量設計過小，則達不到續航里程性能指標，對電池容量設計過大，整車成本增大。本文根據等速續航里程性能參數，對動力電池參數進行設計［6］。計算公式如下：

式中，Pev 為50 km/h 等速續航下功率需求；Ebattery 為動力電池能量；Qbattery 為動力電池容量；vev 為50 km/h；S 為50 km/h 等速續航里程，取320 km；ηbattery 為動力電池放電效率，取0.96；U 為動力電池電壓，取576 V。其余參數參照表1 選取。計算得出Pev 為41.17 kW；Ebattery 為274.45 kW·h；Qbattery 為476.48 A·h，取500 A·h。動力電池參數如表4 所示。

2.4 傳動比參數匹配

本文模型傳動系統由主減速器及變速箱構成。本文根據最高車速下確定傳動比最小取值范圍，最大爬坡度下確定傳動比最大取值范圍。計算公式如下：

式中，imin 為傳動系統中最小傳動比的取值范圍；imax 為最大傳動比的取值范圍；Fimax 為15 km/h 最大爬坡所需要力。經計算得出imin≤9.9 和imax≥12。因此本文選取主減速器傳動比為5.571；變速箱為6 擋變速箱，傳動比為6.6206、3.7297、2.3、1.51、1.0、0.75。

3 整車模型搭建與仿真分析

AVL-CRUISE 是一款基于車輛前向仿真軟件，能更好地反映車輛真實情況。模塊庫里包含駕駛員模塊、整車模塊、發動機模塊、動力電池模塊、電機模塊等，將所有信息集中于模塊內部。該軟件能應用于車輛的動力性選型及匹配的開發，也能制定能量管理策略研究車輛經濟性。本文將通過此軟件對整車建模，再對數據總線連接，并且對任務欄設置，最后仿真出動力性與經濟性曲線圖。

3.1 AVL-CRUISE 模型搭建

3.1.1 整車模型搭建

基于AVL-CRUISE 建立的純電重型商用車整車模型如圖1 所示。

3.1.2 任務欄設置

本文將對整車的最高車速、加速性能、爬坡性能、經濟性能進行驗證。因此需要在任務欄中設置MaximumTraction Force、Full Load Acceleration、Climbing Perfor?mance、Cycle Run 任務文件。選取WTVC 循環工況對整車經濟型仿真，WTVC 工況如圖2 所示。

3.2 仿真及分析

3.2.1 動力性分析

動力性包括最高車速、加速性能、爬坡性能，仿真結果如圖3～圖5 所示。

由圖3～圖5 可知：最高車速最高可達到116.13 km/h，符合最高車速設計要求；0～50 km/h 加速時間為12 s，滿足加速性能要求；15 km/h 爬坡度超過設計要求。由此得出結論，驅動電機、變速箱、主減速器參數匹配合理。

3.2.2 經濟性分析

經濟性為百公里所需電能和車輛續航里程，仿真結果如圖6～圖7 所示。

由圖6～圖7 可知，在WTVC 循環下，百公里能耗98.74 kW·h，續航里程為273 km，滿足設計要求。由此得出結論，動力電池參數匹配合理。

4 結語

本文介紹了新能源汽車發展現狀，利用了車輛動力學公式和經驗公式進行驅動電機、動力電池、主減速器、變速箱的參數匹配，基于AVL-CRUISE 軟件搭建了純電重型商用車整車模型，并通過任務欄設定進行整車動力性與經濟性仿真。通過仿真結果得出：最高車速可達116.13 km/h；0～50 km/h 加速時間可到12 s；15 km/h 爬坡度超過20%；續航里程可達273 km。各參數均滿足動力性與經濟性指標。

參考文獻：

［1］國務院新能源汽車產業發展規劃（2021-2035 年）［EB/OL］（"2020-11-20）［2022-2-20］http：//www govcn/zhengce/content/2020-11/02/content_5556716htm

［2］白素強，楊瑞兆，鄧家奇純電動汽車動力系統參數匹配及仿真分析［J］汽車實用技術，2020，45（19）：1-4

［3］姜良超，殷凡青，程吉鵬純電動汽車動力參數匹配及仿真研究［J］汽車實用技術，2018（23）：59-61

［4］王維插電式四驅混合動力汽車的匹配與仿真建模［D］重慶：重慶大學，2015

［5］饒陽并聯混合動力汽車總成參數匹配及優化研究［D］成都：西南交通大學，2013

［6］陳奇，馮永愷，楊昊仁，等純電動汽車用自動變速器傳動參數優化與仿真［J］機械傳動，2013，37（6）：53-57

作者簡介：

蒲磊，男，1983 年生，工程師，研究方向為商用車設計。