純電動(dòng)商用車動(dòng)力系統(tǒng)選型及其基于Cruise的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真

孫國(guó)慶 葉硼林 余翔宇 丁遠(yuǎn)濤

摘 要：純電動(dòng)商用車動(dòng)力系統(tǒng)選型是純電動(dòng)商用車開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重中之重;純電動(dòng)商用車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真在純電動(dòng)商用車性能開(kāi)發(fā)過(guò)程中具有重要指導(dǎo)作用。論文根據(jù)某型純電動(dòng)商用車總體設(shè)計(jì)指標(biāo)，采用理論公式計(jì)算初步選定動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)，然后利用Cruise軟件進(jìn)行整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該車型動(dòng)力匹配的合理性。論文對(duì)純電動(dòng)商用車動(dòng)力匹配技術(shù)研究具有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：EV;純電動(dòng)商用車;動(dòng)力匹配;Cruise;動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號(hào)：U462.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）05-11-05

Abstract： The Selection of Power System of Pure Electric Commercial Vehicle is of paramount importance of the performance development of Pure Electric Commercial Vehicle; The Dynamic Economy Simulation of Pure Electric Commercial Vehicle plays an important role in the performance development process of Pure Electric Commercial Vehicle. According to a certain type of Pure Electric Commercial Vehicle overall design index， used the method of theoretical calculation formula， initially selected powertrain parameters of Pure Electric Commercial Vehicle ， and then the simulation of dynamic nature and economical efficiency with the Cruise software was done. The calculation result of the dynamic nature and economical efficiency verified the rationality of the model of dynamic match. The paper has a certain guiding role on the development of the power matching technology of Pure Electric Commercial Vehicle.

Keywords： EV; Pure Electric Commercial Vehicle; Power system; Cruise; Dynamic nature and economical efficiency

前言

隨著《GB 30510-2018 重型商用車輛燃料消耗量限值》（第三階段）的實(shí)施，及對(duì)國(guó)家《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》的趨勢(shì)分析，重型商用車第四階段油耗限值也將提上日程。對(duì)此，商用車企業(yè)面臨嚴(yán)重的油耗壓力。同時(shí)，隨著國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷升級(jí)，各地國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)實(shí)施，企業(yè)又同時(shí)面臨嚴(yán)苛的排放壓力。在此背景下，純電動(dòng)商用車越來(lái)越受到企業(yè)的重視。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)主流商用車企業(yè)都已推出純電動(dòng)產(chǎn)品。

隨著新能源車輛補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)的退坡及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，市場(chǎng)對(duì)純電動(dòng)商用車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、續(xù)航里程也提出了更高的要求。當(dāng)前，采用先進(jìn)開(kāi)發(fā)技術(shù)開(kāi)展純電動(dòng)商用車動(dòng)力匹配技術(shù)研究，是純電動(dòng)商用車開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重中之重。Cruise作為一種先進(jìn)的車輛動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真軟件，在當(dāng)前車輛開(kāi)發(fā)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.1 純電動(dòng)商用車的動(dòng)力性指標(biāo)

純電動(dòng)商用車的動(dòng)力性指標(biāo)主要包括純電動(dòng)商用車的最高車速、加速性能、爬坡性能等[1]。根據(jù)《GB/T 18385-2005 電動(dòng)汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》[2]，純電動(dòng)商用車的動(dòng)力性主要由以下三個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)定：

（1）純電動(dòng)商用車的最高車速

純電動(dòng)商用車的最高車速由以下兩個(gè)指標(biāo)來(lái)定義：a、30min最高車速，指純電動(dòng)商用車能夠持續(xù)行駛30min以上的最高平均車速;b、1km最高車速，指純電動(dòng)商用車能夠往返各持續(xù)行駛1km以上距離的最高車速的平均值。

（2）純電動(dòng)商用車的加速能力

純電動(dòng)商用車的加速能力是指純電動(dòng)商用車從速度V1加速到V2所需的最短時(shí)間。

（3）純電動(dòng)商用車的爬坡能力

純電動(dòng)商用車的爬坡能力包含以下兩個(gè)指標(biāo)：a、爬坡車速：純電動(dòng)商用車在給定坡度（通常為4%或12%）的坡道上能夠持續(xù)行駛1km以上的最高平均車速;b、坡道起步能力：純電動(dòng)商用車在坡道上能夠起動(dòng)且1min以內(nèi)向上行駛至少10m的最大坡度。

1.2 純電動(dòng)商用車的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

根據(jù)《GB/T 18386-2017 電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》[3]，純電動(dòng)商用車的經(jīng)濟(jì)性通常按純電動(dòng)商用車在一定工況（循環(huán)工況或等速工況）下能夠持續(xù)行駛的里程數(shù)來(lái)定義。

通常在純電動(dòng)商用車設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)整車總體設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)定動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)參數(shù)，在據(jù)此選定動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)。

1.3 計(jì)算實(shí)例

某型純電動(dòng)商用車為4×2輕型載貨車輛，整車總質(zhì)量4495kg。整車設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

（1）根據(jù)中國(guó)高速限速原則，N2類商用車限速100km/ h，計(jì)算時(shí)考慮10%的超速性能，設(shè)定最高車速Vamax≥110km/h;

（2）最大爬坡度tanαmax≥20%[4];

（3）加速時(shí)間：要求0～100 km/h 原地起步加速時(shí)間t≤25s;

（4）要求整車綜合工況續(xù)駛里程≥200km，40km/h等速工況續(xù)駛里程≥280km。

其它已知參數(shù)：整備質(zhì)量2805kg，車輛迎風(fēng)面積A=3.2 m2，空氣阻力系數(shù)CD=0.5;滾動(dòng)阻力系數(shù)按公式f=0.0076+ 0.000056V[5]計(jì)算;輪胎靜力半徑0.375m，滾動(dòng)半徑r=0.391m。

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的初步選定

2.1 電機(jī)性能參數(shù)的初步選定

2.1.1 電機(jī)峰值功率的確定

電機(jī)的峰值功率應(yīng)能滿足純電動(dòng)商用車在最高車速、最大爬坡度及急加速時(shí)分別對(duì)應(yīng)的最大功率需求[6]。

（1）根據(jù)最高車速計(jì)算的電機(jī)最大功率

純電動(dòng)商用車以最高車速在平直路面行進(jìn)時(shí)所需的最大功率為：

（2）根據(jù)最大爬坡度計(jì)算的的電機(jī)最大功率

純電動(dòng)商用車以某一車速爬上最大坡度時(shí)所需要的電機(jī)功率為：式中，vp為純電動(dòng)商用車爬坡車速;αmax為最大坡度角，單位（°）。

（3）根據(jù)加速能力計(jì)算的電機(jī)最大功率

純電動(dòng)商用車的加速能力是指純電動(dòng)商用車從某一速度加速到另一速度所需的最短時(shí)間。純電動(dòng)商用車滿足加速能力所需的電機(jī)功率為：

式中，vf為加速結(jié)束后的車速，單位m/s;vb為驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的車速，單位m/s;ρa(bǔ)為空氣密度;ta為預(yù)期的加速時(shí)間，單位s;δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

電機(jī)的峰值功率應(yīng)能同時(shí)滿足純電動(dòng)商用車對(duì)最高車速、最大爬坡度和加速能力的要求，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率為：

2.1.2 電機(jī)額定功率的確定

電機(jī)的額定功率應(yīng)滿足純電動(dòng)商用車持續(xù)行駛最高車速要求，同時(shí)要考慮電機(jī)的過(guò)載特性。若λ為電機(jī)過(guò)載系數(shù)，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率為：

2.1.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍的確定

電機(jī)最高轉(zhuǎn)速與整車最高車速之間關(guān)系為：

2.1.4 電機(jī)扭矩的確定

2.2 傳動(dòng)系速比的確定

傳動(dòng)系速比由以下方式確定：

2.3 動(dòng)力電池參數(shù)的選定

動(dòng)力電池匹配主要包括功率匹配和能量匹配兩個(gè)方面。

2.3.1 動(dòng)力電池功率匹配

動(dòng)力電池組必須滿足純電動(dòng)商用車驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電、電動(dòng)汽車行駛時(shí)所需的功率需求。動(dòng)力電池組充放電額定功率、峰值功率要不低于驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率、峰值功率。

2.3.2 動(dòng)力電池能量匹配

動(dòng)力電池組的能量取決于純電動(dòng)商用車的續(xù)駛里程，電池組的能量越大，純電動(dòng)商用車?yán)m(xù)駛里程越長(zhǎng)，但整車重量和成本隨之增加。

動(dòng)力電池組的總能量計(jì)算公式為：

式中，S為純純電動(dòng)商用車設(shè)定續(xù)駛里程，單位km;ξSOC為蓄電池放電深度（%）;SO為純電動(dòng)商用車單位能量續(xù)駛里程（km/kwh）。SO可參考同類競(jìng)品車型統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，初步估算一個(gè)大概范圍，以此初步確定動(dòng)力電池組總能量范圍，再根據(jù)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果調(diào)整。

2.4 選型小結(jié)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有供應(yīng)商產(chǎn)品信息，初步選定的純電動(dòng)商用車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

3 基于Cruise的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真

3.1 概述

Cruise軟件是奧地利AVL公司開(kāi)發(fā)的一款用來(lái)研究車輛動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能及制動(dòng)性能的高級(jí)模擬分析軟件。本實(shí)例中，初步選定純電動(dòng)商用車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)后，應(yīng)用Cruise軟件進(jìn)行整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真，以此驗(yàn)證純電動(dòng)商用車動(dòng)力系統(tǒng)選型的合理性。

3.2 整車仿真模型的建立

根據(jù)純電動(dòng)商用車整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方案，建立Cruise整車仿真模型，如圖1所示。輸入整車及電機(jī)、動(dòng)力電池等各功能模塊參數(shù)，并添加機(jī)械、電氣、信息連接。

3.3 主要計(jì)算任務(wù)的設(shè)置

根據(jù)《GB/T 18385-2005 電動(dòng)汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》[2]及《GB/T 34585-2017純電動(dòng)貨車技術(shù)條件》[4]，設(shè)定以下Cruise動(dòng)力性計(jì)算任務(wù)：

（1）最高車速——30min最高車速

電機(jī)功率特性用額定功率特性曲線。車輛載荷狀態(tài)設(shè)置為半載，不考慮滑移（without slip），利用cycle run計(jì)算任務(wù)設(shè)置循環(huán)工況，設(shè)置循環(huán)迭代次數(shù)，計(jì)算能持續(xù)行駛30min的最高車速。

（2）爬坡性能

1）4%爬坡車速：電機(jī)功率特性用額定功率特性曲線。車輛載荷設(shè)置為滿載，不考慮滑移（without slip），用cycle run設(shè)置循環(huán)工況，道路坡度設(shè)為4%，設(shè)置循環(huán)迭代次數(shù)，計(jì)算純電動(dòng)商用車在4%的坡道上能夠持續(xù)行駛1km以上的最高平均車速。

2）坡道起步能力：電機(jī)功率特性曲線用峰值功率特性曲線，車輛載荷狀態(tài)設(shè)置為滿載。首先設(shè)置最大爬坡度計(jì)算任務(wù)（Climbing Performance），根據(jù)計(jì)算得到的瞬態(tài)最大爬坡度值，利用cycle run設(shè)置爬坡車速計(jì)算任務(wù)，以計(jì)算純電動(dòng)商用車在1min內(nèi)能夠持續(xù)行駛10m以上的最大爬坡度。

（3）加速性能

電機(jī)功率特性曲線用峰值。車輛載荷設(shè)置為半載，不考慮滑移（without slip），利用Full Load Acceleration計(jì)算任務(wù)，分別計(jì)算0～100 km/h 原地起步加速時(shí)間、60～100 km/h 超車加速時(shí)間。

根據(jù)《GB/T 18386-2017 電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》[3]設(shè)定以下計(jì)算任務(wù)，電機(jī)功率特性曲線用額定功率特性曲線或峰值均可，車輛載荷狀態(tài)設(shè)置為滿載，計(jì)算純電動(dòng)商用車?yán)m(xù)駛里程：

1）循環(huán)工況續(xù)駛里程

參考《GB/T 27840-2011重型商用車燃料消耗量測(cè)量方法》[5]，采用C-WTVC循環(huán)，如圖2所示。循環(huán)工況特征里程分配系數(shù)分別設(shè)置為市區(qū)0.1、公路0.6、高速0.3，設(shè)定動(dòng)力電池的目標(biāo)SOC值，設(shè)置循環(huán)迭代次數(shù)，用cycle run計(jì)算任務(wù)計(jì)算綜合工況下的續(xù)駛里程。

2）40km/h等速工況續(xù)駛里程

設(shè)定40km/h等速工況路譜，設(shè)定動(dòng)力電池的目標(biāo)SOC值，設(shè)置循環(huán)迭代次數(shù)，用cycle run計(jì)算任務(wù)計(jì)算40km/h等速工況下的續(xù)駛里程。

3.4 動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真

完成仿真計(jì)算，并整理仿真結(jié)果。

4 仿真結(jié)果分析

該型純電動(dòng)商用車Cruise動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果匯總?cè)绫?所示，各項(xiàng)計(jì)算任務(wù)圖表如圖3～圖9所示。

從表2及圖3～圖9可以看出，該型純電動(dòng)商用車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，動(dòng)力系統(tǒng)選型合理。

5 結(jié)論

本文先根據(jù)某型純電動(dòng)商用車整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過(guò)理論公式計(jì)算，初步選定動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)，然后采用Cruise軟件進(jìn)行動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真，以此驗(yàn)證了該型純電動(dòng)商用車動(dòng)力參數(shù)選型的合理性?；贑ruise軟件的純電動(dòng)商用車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真，能有效縮短車輛開(kāi)發(fā)周期，提高開(kāi)發(fā)效率。論文對(duì)純電動(dòng)商用車動(dòng)力匹配技術(shù)研究具有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

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