基于CRUISE的純電動微型郵政車動力學仿真

李　婷，方　沂，李月超，徐　征，王旭龍

（1.天津職業(yè)技術師范大學機械工程學院，天津300222；2.天津職業(yè)技術師范大學人事處，天津300222；3.新鄉(xiāng)職業(yè)技術學院汽車技術系，新鄉(xiāng)450003；4.天津職業(yè)技術師范大學汽車與交通學院，天津300222）

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基于CRUISE的純電動微型郵政車動力學仿真

李婷1，方沂2，李月超3，徐征4，王旭龍4

（1.天津職業(yè)技術師范大學機械工程學院，天津300222；2.天津職業(yè)技術師范大學人事處，天津300222；3.新鄉(xiāng)職業(yè)技術學院汽車技術系，新鄉(xiāng)450003；4.天津職業(yè)技術師范大學汽車與交通學院，天津300222）

摘要：為給純電動郵政車動力系統(tǒng)的零部件選型，根據(jù)整車設計要求，首先運用汽車動力學公式，對動力系統(tǒng)性能參數(shù)進行計算，并根據(jù)計算結果確定動力系統(tǒng)的性能指標。其次通過AVL Cruise軟件對整車最大爬坡度及加速性能進行仿真研究，得出仿真結果滿足設計要求。本研究方法為整車動力系統(tǒng)的選型工作提供了重要的理論參數(shù)。

關鍵詞：純電動郵政車；AVL Cruise軟件；動力系統(tǒng)

AVL Cruise軟件是研究汽車動力性、燃油經濟性、排放性能及制動性能的高級模擬分析軟件[1]。電動汽車相對于傳統(tǒng)燃油車具有更為復雜的控制系統(tǒng)以及更加多元化的零部件系統(tǒng)，這要求電動汽車在設計開發(fā)初期能夠有較為精準的計算仿真模型?；贑ruise的純電動微型郵政車動力學仿真研究計算，可以更加準確直接地模擬車輛的動力性能，為產品的動力系統(tǒng)選型提供理論依據(jù)，縮短開發(fā)周期，提高研發(fā)效率，降低開發(fā)費用[2]。作為綠色交通方式，純電動汽車的開發(fā)已然成為汽車行業(yè)的必要選擇。本研究以某車型為研究對象，計算其動力系統(tǒng)的性能參數(shù)，并根據(jù)計算結果進行仿真分析，將得到的仿真結果與整車技術指標進行對比，驗證其是否滿足設計要求。

1　動力系統(tǒng)性能參數(shù)的計算

純電動微型郵政車驅動系統(tǒng)的設計水平直接影響電動汽車的動力性和經濟性，其設計的關鍵是驅動電機功率的準確計算、驅動電機與傳動系統(tǒng)的參數(shù)匹配等問題[3]。對純電動微型郵政車進行動力學仿真分析之前，首先應給出其設計要求，也就是整車技術指標參數(shù)，該參數(shù)如表1所示。

1.1電機功率需求分析

電機是純電動微型郵政車的動力源，對其動力性和經濟性影響最大，電機的參數(shù)選擇與匹配包括電機的最大功率和額定功率、電機的最高轉速和額定轉速等[4]。根據(jù)汽車理論基本公式，通過基本計算，得出目標車型在各個車速下運行所需求的電機功率，以此可確定電機的基本功率需求。仿真中選取的滾動摩擦阻力系數(shù)的經驗計算式為[5]：

表1　整車技術指標參考表

式中：ua是車輛瞬時速度。

根據(jù)已知的滾動摩擦阻力因數(shù)及在某一車速下電機功率的計算式（忽略坡道及加速阻力），可計算出電機的需求功率。電機功率的計算式為：

式中：Pe為車輛功率；ηT為從車輪到電動機的機械傳動效率，在此取ηT= 0.9；G為車重，設計要求以半載狀態(tài)下的車重計算；f為滾動摩擦阻力因數(shù)；Cd為空氣阻力因數(shù)；A為迎風面積。

根據(jù)式（1）和式（2），滾動摩擦阻力系數(shù)及需求功率的計算結果如表2所示，相關參數(shù)值如表1所示。

表2　功率需求分析

根據(jù)表2可知，在不同車速下對應的滾動摩擦因數(shù)及電機的需求功率，依據(jù)設計目標（最高車速≥55 km/h）要求，選取電機功率需高于7.28 kW。由于對該物流郵政車的定位是低速專用車，而非普通的電動乘用車，它的最高車速也僅需達到55 km/h即可。因此，在對電機進行選擇時，選取額定功率為7.5 kW的電機即可滿足設計要求。此計算結果為下一步分析計算最高車速提供理論參數(shù)。

1.2變速箱檔位選擇以及電動汽車相關車速分析

根據(jù)數(shù)學基本公式、車輪滾動半徑r和整車傳動比igi0，可計算不同車速下對應的電機轉速，以此對電機轉速及變速箱檔位選擇提出相關要求。

1.2.1小變速箱檔位選擇

各車速對應的電機轉速為：

式中：n為電機轉速；整車傳動比igi0為主減速比與變速箱檔位減速比之積。根據(jù)式（3）及表1給出的已知參數(shù)計算電機轉速，電機轉速的計算結果如表3所示。由表3可知，同一車速對應變速箱2檔3檔位時電機轉速不同，考慮車輛加速性能及轉速需求，選擇變速箱固定3檔。

表3　轉速需求分析

1.2.2最高車速分析

電機效率MAP圖是反應電機系統(tǒng)在各個轉速點下的工作效率，此性能對車輛的行駛特性及燃油經濟性產生直接影響，因此為更好地匹配車輛性能指標，電機系統(tǒng)選型及測試尤為關鍵。根據(jù)國標[6-7]要求，對電機和電控系統(tǒng)進行臺架試驗并繪制出電機效率MAP圖如圖1所示。依據(jù)設計目標，車輛最高車速≥55 km/h，因此要求電機最高轉速不應低于3 470 r/min；車輛經濟車速為40 km/h，因此要求電機系統(tǒng)高效區(qū)轉速應在2 524 r/min左右。

1.3車輛續(xù)駛里程及能量消耗率計算分析

電動車輛續(xù)駛里程是反應車輛行駛能力的基本指標，能量消耗率是反應車輛行駛效率的基本指標，從這2項指標可得出車輛的行駛經濟性能。

綜合考慮電機工作效率η1以及鋰電池放電效率η0，電機工作效率由圖1得知，評定電池放電電量為其容量的90%。車輛續(xù)駛里程的計算式為：

圖1　電機效率MAP圖

式中：S為車輛續(xù)駛里程；Q為電池總容量；Pe為對應車速下的電機功率；V為車輛行駛車速；η0為電池放電效率，在此取η0= 90%；η1電機工作效率。計算結果如表4所示。

表4　續(xù)駛里程分析

車輛能量消耗率的計算公式為：

式中：η為車輛能量消耗率，其他同式（4）。計算結果如

表5　車輛經濟性分析

以上工況行駛里程均為電池包SOC 100%～10%的情形下仿真計算得出。同表1中對續(xù)駛里程的設計要求對比可知，40 km/h車速下勻速續(xù)駛里程為126 km，能量消耗率為8.75 Wh/km，均能滿足設計要求。

2　動力系統(tǒng)仿真研究

2.1整車最大爬坡度分析

電機外特性曲線反映電機系統(tǒng)極限性能指標，直接影響整車的基本極限特性[8]，如最高車速、最大爬坡能力等性能。依據(jù)國標[7-8]要求對電機和電控系統(tǒng)進行臺架試驗并繪制出電機外特性曲線。車輛爬坡性能是車輛性能的重要指標之一，而其又與電機扭矩特性有直接關系。依據(jù)設計目標，車輛滿載爬坡性能應大于等于15%，如果只忽略加速阻力，電機的輸出轉矩為：

式中：i為道路的坡度；其他參數(shù)定義同上。

圖2　車輛仿真模型

根據(jù)式（6）設定車輛，可得出車輛在滿載情況下所需電機扭矩為117 N·m，建立仿真模型如圖2所示。電機外特性曲線如圖3所示，根據(jù)圖3對車輛爬坡能力進行仿真，得出車輛在不同載重情況下的爬坡能力曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著車速增加，電機轉速增高，扭矩相應減小，因此車輛爬坡性能也隨之下降。車輛滿載時，車速不超過20 km/h，可滿足最大爬坡度15%的要求。

圖3　電機外特性曲線

圖4　整車爬坡度

2.2加速性能仿真分析

為滿足車輛起步時在規(guī)定時間內可達到相應速度的要求，故進行加速性能仿真分析。如果忽略爬坡阻力，由汽車行駛方程得到汽車加速度為：

式中：Ft為汽車驅動力；Ff為滾動摩擦阻力；Fw為空氣阻力；δ為汽車旋轉質量轉換系數(shù)；m為車重；其他參數(shù)定義同上。由運動學可知，由某一車速u1加速到另一較高車速u2所需的時間為：

仿真結果和加速曲線如圖5所示。

圖5　整車加速性能仿真曲線

將圖5的仿真結果與表1中的參考值進行比較可知，0～40 km/h時的加速時間為14.9 s，小于15 s；40～50 km/h時的加速時間為10.2 s，小于13 s，仿真計算的結果能夠滿足設計要求。

3　結束語

本文對純電動微型郵政車的電動機和電池包的特性參數(shù)匹配進行研究，以整車的最高車速、爬坡性能、加速性能及續(xù)駛里程等重要指標為出發(fā)點，通過Cruise軟件對其進行仿真計算，確定最佳的參數(shù)匹配結果。試制樣車的測試結果表明，根據(jù)仿真計算結果選取的電動機，其各項性能參數(shù)符合整車要求。由此看來，純電動微型郵政車動力學的仿真研究對整車動力系統(tǒng)設計提供了重要的理論依據(jù)。

參考文獻：

［1］牛明強，郭興眾，孫駟洲，等.基于CRUISE的純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真［J］.安徽工程大學學報，2014 （3）：49-53.

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Dynamics simulation for pure electric mini post car based on CRUISE

LI Ting1，F(xiàn)ANG Yi2，LI Yue-chao3，XU Zheng4，WANG Xu-long4
（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.Personnel Division，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；3.School of Automotive Technical，Xinxiang Vocational and Technical College，Xinxiang 450003，China；4.School of Automobile and Transportation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Abstract：In order to choose the suitable components of power system，according to the design requirements of pure electric mail car，firstly，it calculates the parameters for the dynamic system by using vehicle dynamics formula，and it determines the performance of the power system according to the results.Secondly，with AVL Cruise software，maximum degree of climbing and accelerating ability is studied by simulation，and the results meet design requirements，which provide some important theoretical parameters for the power system components selection.

Key words：pureelectric mail car；AVL Cruise；dynamic system

作者簡介：李婷（1989—），女，碩士研究生；方沂（1963—），男，教授，碩士生導師，研究方向為機械電子技術、現(xiàn)代設計方法等.

基金項目：天津市應用基礎與前沿技術研究計劃項目（14JCYBJC22000）.

收稿日期：2015-09-22

中圖分類號：U469.72

文獻標識碼：A

文章編號：2095－0926（2016）01－0054－04