小城市電動物流汽車動力匹配設(shè)計與仿真研究

郭偉東

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 211188）

小城市電動物流汽車動力匹配設(shè)計與仿真研究

郭偉東

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 211188）

本文根據(jù)小城市電動物流汽車的應(yīng)用特點(diǎn)及城市物流運(yùn)輸工況，進(jìn)行整車動力性能匹配設(shè)計，提出該車型的主要性能參數(shù)要求；并且針對我國特有的城市物流工況，在AVL-CRUISE的基礎(chǔ)上，建立了電動汽車的整車模型，對主要動力參數(shù)進(jìn)行了仿真與驗證。同時，為完成原型車的設(shè)計和制造，根據(jù)匹配設(shè)計結(jié)果，進(jìn)行實驗驗證，提升了該車能耗水平，延長了續(xù)駛里程。

小城市 電動物流車 動力匹配設(shè)計 仿真

引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)化石燃料車輛的不足逐漸顯現(xiàn)出來，因此為促進(jìn)當(dāng)今汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，研發(fā)更加節(jié)能環(huán)保的交通工具成為首要任務(wù)。與傳統(tǒng)汽車相比，電動物理汽車具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低等優(yōu)勢。特別是在城市工況下運(yùn)行，電動汽車更加適宜。并且作為一項新興產(chǎn)品，電動汽車停止時，不消耗電量，在制動減速時，可以回收再利用能量，在我國具有得天獨(dú)厚的發(fā)展條件和廣闊的應(yīng)用前景。

1 小城市電動汽車動力性能參數(shù)

1.1 電動汽車的受力

在行使過程中，電動汽車主要受驅(qū)動力和阻力兩部分的影響。電動機(jī)提供驅(qū)動力Fi，滾動阻力Ff、空氣阻力Fw、坡度阻力Fio、加速阻力Fj為其他阻力。受力平衡方程式為：

其中，ig表示變速傳動比，i0表示主減速器傳動比，ηt表示傳動系統(tǒng)效率，m表示汽車質(zhì)量，GD表示空氣阻力系數(shù)，f表示車輪阻力系數(shù)，A表示迎風(fēng)面積，δ表示汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù),v表示車速，va表示汽車與空氣相對速度。

1.2 電動城市物流汽車最高車速

當(dāng)汽車所受驅(qū)動力和行駛阻力達(dá)到平衡時，汽車在無風(fēng)的條件下具有的穩(wěn)定車速，即為汽車最高車速。假設(shè)此時的坡度為0，加速度為0，根據(jù)動力學(xué)公式，那么汽車的最高車速為：

1.3 電動汽車電機(jī)機(jī)率

根據(jù)能量守恒定律，在電動物流汽車行駛過程中，獲得的功率也是平衡的。當(dāng)風(fēng)速v風(fēng)=0時，為得到功率平衡方程式，可同時將公式（2）兩邊乘以車輛行駛速度，然后經(jīng)過單位換算即可獲得。

電動汽車所受阻力消耗的功率包括滾動阻力功率Pf、加速阻力功率Pj、空氣阻力功率PW、坡度阻力功率Pio。

1.4 加速時間

汽車加速時間包括汽車的原地起步和超車加速時間，表示的是汽車的加速性能。原地起步加速時間是由第一檔起步，從靜止?fàn)顟B(tài)下，以最大的加速強(qiáng)度逐步換到高檔后所需要的時間。

1.5 最大爬坡度

是指在良好的路面上，汽車滿載情況下，用第一檔克服的最大坡度，是用來表征汽車的爬坡能力。爬坡度用坡度的角度值的正切值的百分?jǐn)?shù)來表示。

2 小城市電動物流汽車設(shè)計

2.1 城市物流特點(diǎn)

在城市交通中，加速道路一般車流量較大，如城市中的高架橋、準(zhǔn)高速路等，基本上沒有紅綠燈。城市主干道車流量較大，一般為城市的三、四車道，有紅綠燈；細(xì)路人流量大，車速較慢，有紅綠燈，一般為城市的單行道或商業(yè)區(qū)道路。調(diào)查資料顯示，我國城市道路機(jī)動車平均車速為24.86km/h。

2.2 純電動城市物流汽車設(shè)計

在運(yùn)行的過程中，城市物流汽車不是每次都滿載，每到一個卸貨點(diǎn)，汽車就會卸下一部分貨物，降低物流汽車的總質(zhì)量。本文假設(shè)平均每天載貨量是滿載的80%，那么載貨質(zhì)量城線性降低。小城市物流汽車專門針對城市內(nèi)網(wǎng)購送貨。因此整車參數(shù)最大質(zhì)量為1610kg，迎風(fēng)面積為2.67m2，機(jī)械傳動效率為90%，風(fēng)阻系數(shù)為0.5，車輪半徑為0.293m，質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)為1.04.純電動城市物流車的性能要求：最高車速為80km/h，最大爬坡度為≥20%，加速時間為≤15s（0～80km/h），最大續(xù)駛歷程為≥80，平均速度為30km/h。在水平路面上均速行駛時，電動汽車的驅(qū)動力等于滾動阻力和空氣阻力之和，即：

本文設(shè)計的純電動汽車是作為城市物流車的使用，因此，在良好的城市路面上行駛，驅(qū)動電力功率應(yīng)大體等于一檔車速行駛時行駛阻力功率之和，爬坡度滿足i≥20%即可。在設(shè)定物流汽車的平均速度上，為計算汽車的額定功率，針對我國城市物流工況設(shè)定為30km/h。然后綜合以上兩方面可選額定功率為P=18.5kW。額定轉(zhuǎn)速為3000r，峰值功率45kW，最高轉(zhuǎn)速為6000r。

傳動比的選擇上，本文采用式（8）、（9）分別計算最大和最小傳動比。

電池匹配上，選擇電池單體電壓為3.2V，容量為63AH。確定單體電池數(shù)量采用工作電壓：

經(jīng)計算，按照工作電壓確定的電池數(shù)量為100塊。確定單體電池數(shù)量采用了最大輸出功率：

按照最大輸出功率，經(jīng)過計算確定的單體電池數(shù)為92塊。考慮安裝空間寫限制，在實際安裝過程中，最終裝在車上的電池數(shù)量為97塊。

3 小城市電動汽車CRUISE模型的建立與仿真

3.1 建立整車模型

電動物流車整車模型建立采用AVL-CRUISE軟件，利用軟件中的整車模塊、駕駛室模塊等完成整車模型的建立，如圖1所示。

圖1 純電動城市物流汽車模型

3.2 城市物流工況下的續(xù)駛里程仿真計算

結(jié)合城市物流的實際運(yùn)行情況，通過研究城市小型物流車的運(yùn)行特點(diǎn)，編制初步模擬城市物流工況的運(yùn)行工況。假設(shè)貨物變化情況是在虛實歷里程內(nèi)均勻降低，結(jié)合城市物流過程中貨物質(zhì)量變化，在CRUISE中進(jìn)行仿真模擬。其次針對城市物流運(yùn)行工況，行駛里程計算結(jié)果，對NEDC工況進(jìn)行了仿真計算。研究過程中，實際車輛的制造按照匹配結(jié)果制造出的實車（圖2）。并且為得到續(xù)駛歷程和SOC變化關(guān)系，采用真實路況的路跑對制造的實車進(jìn)行試驗。

另外，本文對我國城市工況、NEDC工況分別進(jìn)行了仿真計算，研究了SOC與行駛里程，獲得物流工況的純電動續(xù)駛里程為105km，平均速度為25.5km/h，SOC變化情況為95%～0%；NEDC工況的純電動續(xù)駛里程為98km，平均速度為33.6km/h，SOC變化情況為95%～0%；試驗工況的純電動續(xù)駛里程為85.2km，平均速度為24.9km/h，SOC變化情況為95%～15%。由此可見，針對城市物流工況對汽車進(jìn)行匹配可以實現(xiàn)更大的續(xù)駛里程，電動汽車的續(xù)駛里程與汽車的運(yùn)行工況有關(guān)系。因此針對特定的運(yùn)行工況的匹配結(jié)果，可以更好地提高電動汽車的續(xù)駛歷程，可以更好地利用電動汽車的能量。

3.3 電動城市物流汽車爬坡性能、加速性能仿真計算

當(dāng)爬坡度為20%時，汽車的最高速度完全滿足城市物流汽車的動力需求，最高扯碎可以達(dá)到19km。汽車最高車速為102km/h時，純電動城市物流汽車的加速性能能夠滿足設(shè)計時提出的設(shè)計要求。

圖2 電動城市物流車實車圖片

4 結(jié)論

針對城市物流車的運(yùn)行工況，本文提出了純電動物流汽車的設(shè)計要求，并且為了對動力系統(tǒng)進(jìn)行匹配設(shè)計通過了理論計算。最后對我國初設(shè)的城市工況和NEDC工況，采用AVL-CRUISE軟件進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，在續(xù)駛里程方面，在NEDC工況下，通過我國城市物流運(yùn)行工況匹配出的結(jié)果，匹配結(jié)果提高了7.1%。同時，試驗實車對模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明，針對我國城市物流工況的匹配設(shè)計可以提高能量的利用率，符合我國城市運(yùn)行，可增加一定的續(xù)駛里程，仿真結(jié)果達(dá)到了實際設(shè)計要求。

[1]劉守霞，趙亞男，張昕.電動汽車在城市物流配送中的可行性分析［J］.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，31（6）：9-12.

[2]常綠.純電動微型汽車動力傳動系參數(shù)設(shè)計及動力性仿真［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2010，（6）：43-45.

Design and Simulation of Electric Vehicle Power Matching in Small City

GUO Weidong
(Nanjing Communications Institute of Technology, Nanjing 211188)

According to the characteristics and application of city logistics transportation conditions of small city electric car logistics, matching design of vehicle dynamic performance, put forward the main performance parameters of the model according to the requirements; and city logistics condition of our country. On the basis of AVL-CRUISE, established the vehicle model of electric vehicles, the main dynamic parameters are simulated and verify. At the same time, in order to complete the design and manufacture of the prototype vehicle, according to the matching design results, the experimental verification, to enhance the level of energy consumption of the car, to extend the driving range.

small city, electric logistics vehicle, power matching design, simulation