基于工況法的新能源商用車動力系統匹配仿真研究

【摘" 要】文章首先探討新能源商用車動力系統的定義及其關鍵構成部分。隨后，基于NEDC（New European Driving Cycle，新歐洲駕駛循環）循環工況特征，構建電機驅動系統和動力電池系統的數學模型并進行匹配研究。在此基礎上，利用MATLAB仿真軟件，從動力性和續駛里程兩大維度分析整車性能。最終，通過將MATLAB仿真結果與實車測試數據進行科學對比，有效驗證所提出計算方法的精準度及其滿足整車設計需求與期望的實際效果。

【關鍵詞】動力系統； NEDC循環工況；動力性；續駛里程

中圖分類號：U469.72" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（2025）03-0028-07

Research on Power System Matching Simulation of New Energy Commercial Vehicles Based

on Operating Condition Method

【Abstract】This article initially examines the definition and critical components of the powertrain for new energy commercial vehicles. Subsequently，mathematical models for the motor drive system and power battery system were developed and studied for compatibility based on the NEDC（New European Driving Cycle）cycle characteristics. Building on this foundation，the performance of the entire vehicle was analyzed using MATLAB simulation software，focusing on two key areas： power output and driving range. Finally，through a rigorous comparison between MATLAB simulation results and real vehicle test data，the proposed calculation method's precision and its effectiveness in fulfilling the vehicle's design requirements and expectations were conclusively validated.

【Key words】power system；NEDC cycle operating conditions；dynamic performance；driving range

0" 引言

近年來，新能源汽車產業發展迅速，已成為中國汽車產業升級和全球綠色發展的重要推動力量。《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》明確指出：至2025年，新能源汽車應占新車銷售總量的20%左右。然而，汽車工業協會發布數據，2021—2023年，新能源汽車銷售量占比分別為13.4%、25.6%和31.6%，提前實現規劃目標，顯示出中國在該領域強勁發展勢頭。

隨著新能源汽車市場的不斷擴大，新能源物流車作為其中的重要細分領域，其在新能源商用車行業中的地位愈發舉足輕重。據統計，2023年新能源物流車的權重占比已超過80%，成為該行業的核心領域，并受到了市場的廣泛關注。這一趨勢的快速發展，不僅得益于政策的大力扶持，也離不開技術的不斷創新和市場的廣泛認可[1]。

在國家層面，《“十四五”國家戰略性新興產業發展規劃》指出：2035年純電動和插電式混合動力新能源汽車應占汽車總銷量的70%以上。這一目標的設定，為新能源汽車產業的未來發展指明了方向，也為相關企業提供了巨大的市場機遇。

隨著“雙碳”戰略的推進，未來新能源物流車市場滲透率將更加快速提升。本文以一款純電動廂式運輸車為例，基于NEDC循環工況法對其動力系統進行匹配仿真研究，旨在實現最優的動力性、經濟性、低運行成本和高可靠性，從而提高產品市場競爭力。

1" 新能源商用車動力系統定義及組成

純電動新能源商用車動力系統主要包括4部分：電機驅動系統（含驅動電機和變速器）、動力源（動力電池）、電力電子控制系統和傳動系統。控制系統主要由整車控制器VCU、電機控制器MCU、變速器控制器TCU和動力電池控制器BMS組成[2]，其連接示意圖如圖1所示。傳動系統由傳動軸、驅動橋和輪胎組成。動力系統各參數匹配是否合理，一定程度決定了汽車性能的發揮，是新能源汽車的動力核心。對其動力性、經濟性、舒適性、安全性、可靠性、耐久性有著重要意義。

本文基于NEDC循環工況法，重點對新能源商用車動力系統中驅動電機及其控制器、動力電池的性能參數進行匹配研究，借助MATLAB軟件，開展整車的動力性和經濟性分析。最后，通過整車試驗驗證了實際結果與仿真結果的一致性，從而確保研究的準確性和可靠性。

2" 純電動廂式運輸車動力性與續航里程的相

關標準及NEDC循環工況分析

2.1" 純電動廂式運輸車動力性與續航里程的相關標

準要求

根據文獻[3]的規定，動力性方面的要求為：30min最高車速不應小于80km/h，加速時間不應大于10s。其中，N1類車輛加速范圍為0—50km/h和50—80km/h。此外最大爬坡能力不應低于20%。至于續航里程方面，標準要求純電動廂式運輸車的續駛里程不得低于200km。

文獻[4]則對N1類純電動封閉式貨車的動力性與續航評價指標作出了具體規定，見表1。這些標準旨在確保車輛在實際使用中能夠具備良好的動力和經濟性能，從而滿足各種運輸需求。

2.2" NEDC循環工況圖

根據文獻[5]的規定，NEDC循環工況是一個綜合性的測試標準，它精心設計了等速、等加速、等減速以及停車再啟動等多種行駛工況，以模擬實際道路駕駛條件。NEDC循環工況試驗由4個市區循環和1個市郊循環程序共同構成，其理論試驗距離設定為10.9773km，整個試驗過程耗時19：40。圖2詳細展示了試驗循環的具體組成情況，為研究者提供了清晰的試驗流程參考。這一工況試驗設計旨在模擬車輛在不同路況下的運行狀況，從而更準確地評估其性能表現。

2.3" 純電動廂式運輸車動力性與續航里程設計要求

針對純電動廂式運輸車的動力性與續航里程，根據上述標準要求以及NEDC循環工況，同時結合其實際的應用場景，擬定整車動力性與續航里程的設計要求，見表2。這一設計旨在確保車輛在實際使用中既能擁有出色的動力性能，又能滿足長途運輸的續航需求。

2.4" 純電動廂式運輸車整車主要參數

純電動廂式運輸車整車主要參數見表3。這些參數的選擇與確定，旨在確保仿真結果的準確性和可靠性，為后續的動力性與續航性能分析提供有力支撐。

3" 基于工況法計算匹配驅動系統參數

3.1" 基于工況法計算匹配驅動電機

根據汽車NEDC循環工況，計算勻速行駛、加速行駛及減速行駛時所需驅動電機功率。

在水平道路面上勻速行駛時所需驅動電機的功率：

在水平道路面上加（減）速行駛時所需驅動電機的功率：

式中：tm——加（減）時間，s。運用上述公式，結合利用MATLAB軟件，得到NEDC循環工況功率需求曲線，如圖3所示。

從圖3詳細數據分析中可以明確觀察到：在市郊循環行駛階段，當車輛以100～120km/h的速度區間進行加速至其末端時，所達到的功率峰值高達60.4kW。鑒于該純電動廂式運輸車的設計，其最高車速被限制在100km/h以內，為確保車輛在此速度范圍內能夠充分發揮性能并保留一定的功率儲備，可以合理且初步地將電機的峰值功率設定為60kW，這一數值既符合車輛運行的實際需求，也確保了動力系統的經濟性與高效性。同時電機的峰值功率要滿足最大坡度、加速時所需的電機功率。

最大爬坡度（imax=20%@15km/h）及i=12%@30km/h、i=4%@60km/h時功率Pimax：

根據整車加速性能計算驅動電機的峰值功率Pjmax：

基于NEDC循環工況、最大爬坡度及加速性能的綜合考量，確定電機的峰值功率需求為60kW，這一數值充分滿足了既定的性能要求。

電機額定功率為：

式中：λ——電機過載系數，一般取值2～3，文中選取λ=2（取值為2，常見于實際應用中）。

電機最高轉速：

為了確保電機的長期穩定運行和應對突發情況，預留10%～15%的設計余量，最終將最高轉速設定為9000r/min。

電機額定轉速：

式中：β——恒功率區擴大系數，一般取值2～4，文中β取值為2.83，以優化電機的性能范圍，這一設計既保證了電機在額定負載下的高效運行，又為其在更高負載下的性能表現預留了空間。

電機額定轉矩：

電機峰值轉矩：

[Tmax=λ×Te=220N·m]

式中：[λ]——電機過載系數，一般取值2～3，考慮到物流車在實際應用場景中可能面臨的瞬時高負載情況，利用電機過載系數[λ]（取值為2.45，以應對物流車的特殊需求）計算出電機的峰值轉矩為220N·m。

綜上所述，精心選取了一款永磁無刷直流電機作為驅動電機，其性能參數見表4。該電機不僅滿足了整車對性能的要求，還具備足夠的冗余設計，以確保在各種工況下的穩定可靠運行。

3.2" 基于工況法計算匹配動力電池參數

動力蓄電池的能量是影響純電動汽車續駛里程的決定性因素。在進行新產品開發時，應根據客戶需求及產品定位設定續駛里程目標。

根據文獻[2]中相關要求，驅動電機系統直流母線額定電壓取以下等級：36V、48V、60V、72V、80V、120V、144V*、168V、192V、216V、240V、264V、288V*、312V*、336V*、360V、384V*、408V、540V、600V*、650V、700V、750V（標*為優先等級）。

純電動廂式運輸車在選擇動力電池電壓時，需要綜合考慮車輛類型、設計需求、技術規格以及安全性等因素。本文車輛選擇搭載磷酸鐵鋰電池，電池組電壓高達320V，這樣的電壓配置有助于提升車輛的續航里程和動力性能。

本文基于NEDC工況法來精確計算動力電池的容量參數，以確保電池系統的設計與實際應用場景高度契合，從而最大化地發揮純電動廂式運輸車的性能優勢，滿足多樣化的物流運輸需求。

純電動廂式運輸車滿足勻速行駛動力電池所需存儲的容量為：

式中：Cm1——滿足勻速行駛動力電池所需存儲的容量；tm1——勻速行駛時間；U——動力電池端電壓。

滿足加（減）速行駛時動力電池所需存儲的容量為：

式中：Cm2——滿足加（減）速行駛動力電池所需存儲的容量；tm2——加（減）速行駛時間[6]。

運用上述公式，結合利用MATLAB 軟件，得到NEDC循環工況容量需求，如圖4所示。

由圖4可知，在一個市區基本循環中，電動汽車在維持勻速行駛及加速過程中，其動力電池需穩定供應0.5162Ah的電能容量以滿足動力需求，而當電動汽車執行制動操作時，制動產生的能量中可供動力電池使用的容量為-0.3429Ah。

有研究表明，在城市行駛工況，大約有50%甚至更多的驅動能量在制動過程中損失掉，郊區工況也有至少20％的驅動能量在制動過程損失掉。

假設制動能量回收率為30%，則電動汽車完成一個標準市區循環運行，動力電池實際需額外提供的凈容量將縮減至0.41337Ah。若將此標準擴展至4個連續的市區行駛循環，則動力電池必須提供的總容量為1.6534Ah，以確保電動汽車能夠順利完成整個行駛周期。

在市郊工況的循環行駛中，電動汽車在勻速與加速階段，其動力電池需輸出4.3503Ah的電量以支撐車輛運行；而當車輛制動時，制動產生的能量中可供動力電池使用的容量為-1.5764Ah。假設制動能量回收率為30%，則電動汽車完成一個標準市郊循環運行，動力電池實際需額外提供的凈容量為4.3503Ah。

對于純電動廂式運輸車而言，在完成整個NEDC測試時，動力電池需提供5.5308Ah的容量以確保車輛順利運行。鑒于NEDC循環的單次行駛距離僅為10.9773km，若要求電動汽車在循環工況下的續駛里程達到252km，那么動力電池的容量配置至少需要達到126.97Ah，以滿足這一長距離行駛需求。

值得注意的是，在實際為電動汽車匹配動力電池時，還需綜合考慮多方面因素，包括但不限于傳動系統的效率、電機的轉換效率、電池的放電效率以及電池的放電深度等。這些因素均會對動力電池的實際使用效果產生影響，正是基于這樣的全面考量與精心調配，最終確定了純電動廂式運輸車所采用的動力電池參數為320V、135Ah，總能量高達43.2kW·h，確保了車輛性能與續航能力的卓越表現。

3.3" 驅動電機控制器參數匹配分析

驅動電機控制器的額定/最大容量大于驅動電機的額定/峰值功率。本車型選用整車動力電池系統電壓為320V，驅動電機控制器的參數見表5。

4" 利用MATLAB仿真動力系統

4.1" 利用MATLAB仿真電動汽車動力性

建立純電動廂式運輸車整車動力性數學模型，運用MATLAB對整車動力性進行仿真分析，并繪制相關函數曲線。電動汽車行駛方程式：

4.1.1" 利用MATLAB仿真電動汽車最高車速

當驅動力曲線與行駛阻力曲線相交時，其交點所標示的車速即為該汽車的最高車速。這一最高車速的確定嚴格遵循特定的方程規則。

當驅動力持續保持在行駛阻力之上，導致兩曲線并未相交，那么電動汽車所能達到的最高車速將直接受限于其電機的最高轉速[7]，即電動汽車的極速性能將由電機的性能上限來界定。

圖5為汽車驅動力與行駛阻力的平衡關系圖，可以直觀讀取到最高車速的具體數值為115km/h，這一數據為評估汽車性能提供了關鍵參考。

4.1.2" 利用MATLAB仿真電動汽車最大爬坡度

最大爬坡度是衡量其爬坡能力的重要參數之一。這一指標直接反映了電動汽車在面對不同坡度道路時的適應性和通過能力。

電動汽車的動力因素為：

電動汽車最大爬坡度為：

在圖6所示的爬坡度曲線中可以清晰看到，該電動汽車在特定速度（33km/h）下能夠達到的最大爬坡度為24.8%。這一數值不僅展示了電動汽車的強勁動力，也為其在不同路況下的行駛能力提供了有力證明。

4.1.3" 利用MATLAB仿真電動汽車加速時間

由汽車運動學可知：

基于汽車運動學的深入理解，可以精確計算加速時間，這一過程既可通過高效的計算機積分算法實現，也可借助直觀的圖解積分法來完成。為便于實際應用，特此提供一套針對特定車速范圍加速時間的計算公式，以簡化計算流程。

式中：ub——電機基速，km/h。

圖7直觀描繪了汽車的速度與加速時間之間的關系。具體而言，車輛從靜止加速至50km/h，從50km/h加速至80km/h，以及從靜止加速至100km/h的加速時間分為6.1s、7s和20.5s。這些數據不僅體現了車輛在不同速度區間內的加速性能，也為評估汽車動力系統的效能提供了重要依據。

4.2" 利用MATLAB仿真電動汽車續駛里程

動力電池總能量為：

式中：Q——電池總能量；Cm——電池額定容量；Ue——電池端電壓。

4.2.1" 利用MATLAB仿真電動汽車等速行駛工況下續駛里程

當汽車在平坦道路上以等速行駛時，其驅動電機所需的功率可以表示為：

對于電動汽車在等速工況下的續駛里程與動力電池能量的關系，其數學模型為：

進一步推導，可以得到續駛里程S的表達式：

電動汽車的續駛里程和能量消耗量在車輛公告認證中是非常重要的測試項目，特別是在等速（如40km/h）行駛條件下的續駛里程，它是《免征車輛購置稅的新能源汽車車型目錄》和《享受車船稅減免優惠的節約能源使用新能源汽車車型目錄》中的關鍵考核指標。

基于上述計算模型，運用MATLAB仿真技術，針對電動汽車在等速行駛工況下的續航能力進行了詳盡模擬，并繪制了如圖8所示的仿真結果圖。該圖直觀展示了純電動廂式運輸車在恒定40km/h速度下，其續航里程可高達S=571.574km。

4.2.2" 利用MATLAB仿真電動汽車NEDC循環工況下續駛里程

NEDC循環工況是由等速、等加速、等減速、停車行駛工況組成的循環。鑒于等速工況下的續駛里程與能量消耗量計算方法已在前文中詳盡闡述，此處不再重復說明。下面聚焦于等加速、等減速以及停車行駛這3種特定工況下的能量消耗量的計算，并基于這些計算結果，進一步推導整個NEDC循環工況下的能量消耗率及續駛里程。

1）等加速行駛工況能量消耗量和續駛里程的計算。在汽車加速行駛時，驅動電機除克服滾動阻力和空氣阻力之外，還要提供為克服加速阻力所消耗的功率，若加速度為du/dt（m/s），則電機提供的功率Pa為：

電驅動系統在等加速行駛時間ta內的能量消耗為：

在等加速行駛工況下，電動汽車的行駛距離為：

2）等減速行駛工況能量消耗量和續駛里程的計算。在汽車減速行駛的過程中，非但不消耗動力電池中的電量，反而可以通過使電機進入發電模式來有效回收制動過程中產生的能量儲存于動力電池中，從而實現了能量的再利用。電機制動回收的功率為：

式中：Ψ——制動能量回收比例系數，即電機回收的制動能量占總制動能量的比值，0lt;Ψlt;1。依據經驗Ψ取30%。

電驅動系統在等減速行駛時間td內所回收的能量為：

在等減速行駛工況下，電動汽車的行駛距離為：

3）停車時的能量消耗。電動汽車停車時，驅動系統的能量消耗量Qp=0。

4）整個循環工況下的最大續航里程和能量消耗。對于由等速、等加速、等減速、停車等行駛工況組成的NEDC循環，一個NEDC循環工況的行駛里程為：

式中：S1——一個NEDC循環工況的行駛里程；Si——每個狀態行駛的距離；k——電動汽車能夠完成的狀態總數。

一個NEDC循環工況行駛動力電池所消耗的能量為：

式中：Q1——一個NEDC循環工況行駛動力電池所消耗的能量；Qi——每個狀態動力電池所消耗的能量。

電動汽車循環工況續駛里程為：

式中：S——電動汽車循環工況續駛里程[6]。

通過利用MATLAB進行仿真計算，深入分析電動汽車在單個NEDC駕駛循環工況下的續駛里程及能量消耗情況，詳細數據見表6。

綜合分析結果為：在單個NEDC循環工況下，電動汽車實現累計續駛里程10.9773km，并伴隨總能量消耗1.8631kW·h（備注：制動能量回收率按30%計算）。基于這一數據，則電動汽車在NEDC循環工況下的總續駛里程S可計算為：

S=43.2/1.8631[×]10.9773=254.53km

這一結果表明，在NEDC標準條件下，該電動汽車的理論總續駛里程約為254.53km。這一數據滿足車輛設計之初所設定的各項要求。

5" 整車性能試驗驗證與仿真結果對比分析

由表7可知，本文所建立仿真模型與試驗結果雖然有一定偏差，但是相對變化量在5%以內。試驗結果表明，整車性能目標制定基本合理，也驗證了匹配計算的正確性與仿真模型搭建的合理性。

6" 結束語

本文深入剖析了新能源商用車的NEDC循環工況特性，并以此為基石，構建了驅動系統的數學模型。該模型有效支撐了對驅動電機及動力電池核心參數的精確計算與配置，確保了動力系統的科學匹配。

借助MATLAB仿真平臺，全面模擬并驗證了新能源商用車在整車動力性能及續駛里程方面的表現。通過將仿真結果與試驗數據、預設目標值（技術要求）進行多維度、深層次的對比分析，驗證了所設計動力系統參數的合理性與高效性，證明了該系統能夠充分滿足整車性能的各項指標要求。為新能源商用車動力系統的優化設計與性能評估提供了堅實的數據支撐與理論依據。

參考文獻

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