基于Cruise的純電動(dòng)客車仿真分析

徐達(dá)偉，回 春

(1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070;2.武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢430070)

隨著環(huán)境污染和能源匱乏加劇，純電動(dòng)客車作為一種公共交通工具，已經(jīng)漸漸進(jìn)入日常生活中。純電動(dòng)客車由于噪聲低、“零污染”和能源轉(zhuǎn)換率高等優(yōu)點(diǎn)，受到各大汽車生產(chǎn)廠商的關(guān)注。通常車輛經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性的評(píng)價(jià)是由實(shí)車的道路測(cè)試或臺(tái)架試驗(yàn)得到的。由于發(fā)動(dòng)機(jī)與動(dòng)力系統(tǒng)匹配方案和各部件的參數(shù)變化多樣，若每個(gè)方案都經(jīng)過實(shí)車試驗(yàn)，不僅會(huì)增加大量的費(fèi)用，而且會(huì)延長設(shè)計(jì)周期。因此，在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的初級(jí)階段，為了縮短開發(fā)周期、降低成本，利用計(jì)算機(jī)對(duì)車輛的各部件進(jìn)行建模，對(duì)各種不同的路況進(jìn)行模擬仿真，從而找到最佳方案。Cruise作為一款先進(jìn)的整車仿真模擬分析軟件，目前被各大公司廣泛應(yīng)用。

1 純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)組成

純電動(dòng)客車的動(dòng)力性主要由動(dòng)力總成系統(tǒng)來決定;而其經(jīng)濟(jì)性由續(xù)駛里程決定。純電動(dòng)客車的動(dòng)力總成系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)、電池、變速器、主減速器、差速器，以及車輪等［1］，如圖1所示。

圖1 純電動(dòng)客車的整車模型

按電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)組成和布置形式的不同，純電動(dòng)客車驅(qū)動(dòng)類型分為機(jī)械傳動(dòng)型、無變速器型、無差速器型和電動(dòng)輪型4種類型。筆者采用機(jī)械傳動(dòng)型，保留了內(nèi)燃機(jī)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)，將發(fā)動(dòng)機(jī)換成了電動(dòng)機(jī)，這樣可以提高純電動(dòng)客車的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及低速時(shí)的后備功率，對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)要求相對(duì)較低，選擇電動(dòng)機(jī)的靈活性增大。

2 車輛動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 動(dòng)力性

純電動(dòng)客車的動(dòng)力性主要用最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度3個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)。

(1)最高車速分析。最高車速指在水平良好路面上汽車所能達(dá)到的最高行駛車速，主要由汽車的驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力來決定［2］。

驅(qū)動(dòng)力為:

式中:Ft為驅(qū)動(dòng)力;Ttq為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩;ηT為機(jī)械效率;ig為變速器速比;io為主傳動(dòng)比;r為滾動(dòng)半徑。

阻力為:

式中:Ff為滾動(dòng)阻力;Fw為空氣阻力;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);G為汽車總質(zhì)量;CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;ua為行駛車速。

因此，最高車速可從汽車的驅(qū)動(dòng)力－行駛阻力平衡圖中得到，F(xiàn)t曲線與Ff和Fw曲線的交點(diǎn)即是純電動(dòng)汽車的最高車速vmax。

然而在選用較大功率的牽引電動(dòng)機(jī)或大傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)中，并不是利用交點(diǎn)求最高車速，而是通過電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nmax求得。

式中，itmax為傳動(dòng)系統(tǒng)最大傳動(dòng)比。

(2)爬坡性能分析。爬坡性能指汽車在良好路面上克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力后，其后備功率在穩(wěn)定車速條件下(忽略加速阻力)全部用來爬坡時(shí)所能爬上的最大坡度。

式中:i為汽車爬坡度;Ig為汽車各檔傳動(dòng)比;D為動(dòng)力因素。

(3)加速性能分析。加速性能指汽車在良好路面上，克服空氣阻力和滾動(dòng)阻力后，其后備功率全部用來提高汽車車速的能力。

式中:d u/d t為加速度;δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

2.2 經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)是以某一車速或循環(huán)工況為基礎(chǔ)，用汽車行駛一定的里程數(shù)或者一定里程的能量消耗來評(píng)價(jià)的。純電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)包括續(xù)駛里程、單位里程能量消耗和單位能耗行駛里程等。

筆者主要討論純電動(dòng)客車的續(xù)駛里程。續(xù)駛里程是純電動(dòng)客車在蓄電池充滿電的狀態(tài)下，按一定的行駛功率，能連續(xù)行駛的最大距離。

(1)電機(jī)功率。汽車以速度v(取40 km/h)等速行駛時(shí)所需的電機(jī)功率Pi為:

(2)電池額定能量為:

式中:Ue為電池的端電壓;Q為電池的額定容量。

(3)續(xù)駛里程。在理想狀態(tài)下，等速行駛的續(xù)駛里程S為:

3 Cruise運(yùn)行流程及仿真內(nèi)容

Cruise能對(duì)不同類型的汽車進(jìn)行建模和分析，得到汽車的相應(yīng)性能指標(biāo)，同時(shí)進(jìn)行汽車性能優(yōu)化，且可模擬實(shí)際的汽車和道路，降低試驗(yàn)成本［3］。

3.1 Cruise運(yùn)行流程

(1)根據(jù)整車的構(gòu)成，在建模窗口添加所需的模塊，如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、主減速器、制動(dòng)器和車輪等零部件模塊;

(2)利用各個(gè)部件相應(yīng)的參數(shù)對(duì)模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;

(3)根據(jù)整車各部件的動(dòng)力及信號(hào)的傳遞關(guān)系對(duì)部件進(jìn)行物理和電氣連接;

(4)根據(jù)研究需要，設(shè)置相應(yīng)的計(jì)算任務(wù)，如最大爬坡度、加速時(shí)間、最大車速和續(xù)駛里程等。

3.2 Cruise仿真內(nèi)容

(1)循環(huán)工況分析。用于計(jì)算循環(huán)工況(如UDC、NEDC等)中油耗(耗電量)和排放的情況。

(2)爬坡性能分析。用于計(jì)算汽車的最大爬坡度?？梢杂?jì)算不同擋位下汽車的不同爬坡度。

(3)穩(wěn)態(tài)行駛工況分析。用于計(jì)算汽車穩(wěn)定行駛時(shí)燃油消耗量和排放量［4］。該任務(wù)計(jì)算每一擋位下，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)汽車的性能，通過改變主傳動(dòng)比計(jì)算理論和實(shí)際最高車速。

(4)滿負(fù)荷加速性能計(jì)算。最大加速度指對(duì)于每一個(gè)擋位，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最大加速度。原地起步加速性能指在連續(xù)換擋條件下，汽車原地起步的加速性能。超車加速性能指由某一起始車速，在某一擋位下加速到目標(biāo)車速時(shí)的加速性能。

4 利用Cruise進(jìn)行仿真分析

4.1 純電動(dòng)客車的參數(shù)

(1)純電動(dòng)客車的整車參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)

(2)電池參數(shù)如表2所示。

表2 電池參數(shù)

(3)電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表3所示。

利用Cruise軟件建立的電機(jī)特性曲線如圖2所示。輸出轉(zhuǎn)矩的正區(qū)域?yàn)轵?qū)動(dòng)特性，負(fù)區(qū)域?yàn)榘l(fā)電機(jī)特性［5］。在低速區(qū)域，電機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩特性;在高速區(qū)域，電機(jī)具有恒功率特性。在960 r/min附近為電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩和恒功率的切換點(diǎn)。

表3 電動(dòng)機(jī)參數(shù)

圖2 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性曲線

4.2 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)純電動(dòng)客車的要求如表4所示。

表4 純電動(dòng)客車設(shè)計(jì)要求

4.3 整車仿真模型

汽車動(dòng)力傳遞路線為電機(jī)→變速器→主減速器→差速器→車輪，在 Cruise中建立汽車模型［6］，如圖3所示。然后對(duì)各個(gè)模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。其中駕駛室模塊14根據(jù)人體反應(yīng)真實(shí)地再現(xiàn)車輛的行為;函數(shù)模塊18、19和常數(shù)模塊21是為了回收剎車時(shí)的制動(dòng)力;監(jiān)視器模塊20是為了獲得汽車在行駛時(shí)的數(shù)據(jù)［7］。根據(jù)仿真要求，選擇和編輯相應(yīng)的任務(wù)，并進(jìn)行仿真計(jì)算［8］。

4.4 循環(huán)工況

由于該車型為純電動(dòng)客車，因此選用綜合性能評(píng)測(cè)較均衡的新歐洲循環(huán)工況(new European driving cycle，NEDC)作為測(cè)試工況［9］。圖 4 所示為純電動(dòng)客車仿真行駛距離、加速度和速度隨時(shí)間變化的曲線。汽車在行駛過程中分為加速、巡航和減速3個(gè)階段［10］。整個(gè)過程中速度變化比較平穩(wěn)。由圖4可知，該循環(huán)周期為1 190 s，最大行駛速度為107 km/h，平均行駛速度為36 km/h。

4.5 爬坡性能

圖3 純電動(dòng)汽車Cruise整車模型

圖4 純電動(dòng)客車仿真行駛距離、速度和加速度隨時(shí)間變化曲線圖

汽車最大爬坡度決定了汽車的爬坡性能，是一項(xiàng)重要的動(dòng)力性指標(biāo)。由圖5可知，該車型最大爬坡度約為22%，符合動(dòng)力性指標(biāo)≥20%的要求。該車的爬坡性能良好，滿足一般道路行駛要求。

圖5 爬坡度曲線

4.6 加速時(shí)間和最高車速

由圖6可知，該車型0～50 km/h加速用時(shí)19 s，基本滿足加速時(shí)間≤20 s的指標(biāo)。由電機(jī)的特性可知，低速輸出轉(zhuǎn)矩大，獲得的加速度大，0～90 km/h加速時(shí)間較短，約為70 s;而在高轉(zhuǎn)速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩小，汽車從90 km/h加速到100 km/h時(shí)間較長。從速度曲線可以看出，該車的最高速度維持在107 km/h左右，達(dá)到了最高車速≥80 km/h的要求。整體來說，該車型基本滿足了客車的道路行駛要求。

圖6 0～50 km/h全負(fù)荷下純電動(dòng)客車仿真行駛距離、速度和加速度隨時(shí)間變化曲線

4.7 續(xù)駛里程

續(xù)駛里程指電池經(jīng)過一次充放電所能使汽車行駛的最大距離。在 Cruise中建立車速為40 km/h的勻速行駛工況，使該工況的時(shí)間足夠長，直到電池電量消耗完。因此，電池SOC的變化對(duì)應(yīng)的距離就是續(xù)駛里程。由圖7可知，續(xù)駛里程為54 km，滿足續(xù)駛里程≥50 km的要求。

圖7 40 km/h的勻速行駛工況下電池SOC隨距離變化的曲線

5 結(jié)論

通過Cruise軟件建立的某純電動(dòng)客車模型仿真，并對(duì)該車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明，該車在0～50 km/h加速時(shí)間為19 s，滿足加速時(shí)間≤20 s的要求;爬坡性能為22% ＞20%，符合實(shí)際要求;最高速度維持在107 km/h左右，滿足最高車速≥80 km/h的要求;續(xù)駛里程為54 km＞50 km，滿足行駛要求。利用Cruise軟件建模仿真可以縮短研發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)成本，減少車輛在設(shè)計(jì)上的盲目性。仿真結(jié)果為實(shí)車試驗(yàn)提供了重要的參考數(shù)據(jù)。

［1］姜海斌，黃宏成.CRUISE純電動(dòng)車動(dòng)力性能仿真及優(yōu)化［J］.機(jī)械與電子，2010(4):61－64.

［2］袁苑.基于CRUISE中型純電動(dòng)客車動(dòng)力匹配仿真［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2012，50(5):15 －21.

［3］吳雪.純電動(dòng)轎車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法研究［D］.長春:吉林大學(xué)圖書館，2013.

［4］劉新.純電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配與仿真研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)圖書館，2013.

［5］李軍.基于CRUISE的某型大客車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配研究［D］.長春:吉林大學(xué)圖書館，2013.

［6］許世維.純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化與聯(lián)合仿真［D］.西安:長安大學(xué)圖書館，2013.

［7］劉小飛.純電動(dòng)轎車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及電機(jī)控制策略研究［D］.長春:吉林大學(xué)圖書館，2011.

［8］朱鵬飛，趙文杰，許宏云.基于CRUISE純電動(dòng)汽車匹配計(jì)算與仿真［J］.新能源汽車，2012(9):11－15.

［9］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:33－105.

［10］嚴(yán)運(yùn)兵.電動(dòng)汽車概論［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012:19－65.