基于CRUISE的純電動(dòng)客車動(dòng)力匹配和仿真分析*

田韶鵬 韓 煒

(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1) 武漢 430070) (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2) 武漢 430070)

0 引 言

純電動(dòng)客車由于有著發(fā)出噪聲低、污染小等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越被汽車制造商所看重.

車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性是綜合評(píng)估汽車性能指標(biāo)的重要參數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)汽車的各個(gè)部件進(jìn)行建模并進(jìn)行仿真研究分析，可以找到適合的設(shè)計(jì)方案，并為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ).王天利等[1]以續(xù)駛里程為優(yōu)化目標(biāo)，提高了整車的續(xù)駛里程，姜海斌等[2]分析了汽車的各項(xiàng)動(dòng)力性能，并提出提高其動(dòng)力性能的措施和方法，朱鵬飛等[3-4]對(duì)純電動(dòng)汽車上的電機(jī)和電池等進(jìn)行匹配選型，驗(yàn)證了方法的有效性，王少凱[5]通過(guò)理論對(duì)比和計(jì)算，驗(yàn)證了軟件的可行性，朱日瑩等[6]通過(guò)引入蓄電池荷電狀態(tài)，對(duì)汽車的傳動(dòng)系比進(jìn)行了優(yōu)化分析，賈燕紅等[7-9]對(duì)整車進(jìn)行了仿真計(jì)算，表明設(shè)計(jì)的參數(shù)能夠滿足要求.應(yīng)用CRUISE軟件建立了純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)模型，并利用軟件對(duì)其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了模擬分析，為動(dòng)力系統(tǒng)匹配選型提供了依據(jù)，驗(yàn)證了研究方案的可行性.

1 純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)

純電動(dòng)客車的動(dòng)力性主要由最高車速、爬坡性能和加速性能來(lái)表示，而其經(jīng)濟(jì)性主要由續(xù)駛里程來(lái)表示.純電動(dòng)客車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括電池、電動(dòng)機(jī)、變速器、主減速器、差速器及車輪等.電機(jī)驅(qū)動(dòng)及電控系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，也是與普通燃油哦汽車的最大區(qū)別之處.圖1為純電動(dòng)客車的整車模型布置圖.

圖1 純電動(dòng)客車整車模型圖

按照車輛動(dòng)力系統(tǒng)的組成和匹配方式的不同，純電動(dòng)客車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式可以分為機(jī)械傳動(dòng)式、無(wú)變速器式、無(wú)差速器式和電動(dòng)輪式四種形式.本文使用機(jī)械傳動(dòng)型，仍然采用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的動(dòng)力結(jié)構(gòu)，保留其布置模式，只是用電動(dòng)機(jī)替換了發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣的布置能夠增大客車起步時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的后備功率，提高汽車的運(yùn)動(dòng)能力，降低了對(duì)電機(jī)的規(guī)范指標(biāo)，能夠有更多

的電機(jī)選擇.

2 動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配

2.1 整車參數(shù)和設(shè)計(jì)要求

本文所研究的純電動(dòng)客車整車參數(shù)見(jiàn)表1，根據(jù)其整車參數(shù)和指標(biāo)，對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)的各項(xiàng)要求進(jìn)行研究和匹配，以滿足相關(guān)性能指標(biāo)的要求.

表1 整車參數(shù)

根據(jù)本文所研究的純電動(dòng)客車，設(shè)計(jì)其動(dòng)力系統(tǒng)的匹配主要影響其動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)動(dòng)力匹配應(yīng)滿足一定的設(shè)計(jì)要求，保證其符合相關(guān)的性能指標(biāo)，主要包括加速時(shí)間、最高車速、最大爬坡度和續(xù)駛里程，通過(guò)研究這幾個(gè)性能指標(biāo)可以使純電動(dòng)客車符合相應(yīng)的匹配標(biāo)準(zhǔn)，滿足性能要求.具體的性能設(shè)計(jì)要求：0～50 km/h加速時(shí)間為20 s；最高車速為70 km/h;最大爬坡度為15%；續(xù)駛里程為200 km.

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配

純電動(dòng)客車在最高車速、加速和以某一速度勻速爬坡時(shí)這三個(gè)性能指標(biāo)要求下行駛時(shí)，電機(jī)的需求功率為

(1)

(2)

(3)

式中：vmax為最高車速；δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.05；vm為車輛加速的目標(biāo)速度；tm為車輛加速所需時(shí)間；αmax為車輛的最大爬坡度；vi為車輛爬坡時(shí)的速度.

所選取的電機(jī)功率應(yīng)該同時(shí)符合上述的三個(gè)指標(biāo)，經(jīng)過(guò)計(jì)算結(jié)合實(shí)際的電機(jī)型號(hào)，取電機(jī)的峰值功率為140 kW，選取的電機(jī)主要相關(guān)性能指標(biāo)：額定功率為140 kW；額定轉(zhuǎn)速為1 050 r/min;最高轉(zhuǎn)速為2 500 r/min；最大轉(zhuǎn)矩為 2 500 N·m;額定電壓為320 V.

選用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能特性曲線見(jiàn)圖2.在低轉(zhuǎn)速區(qū)域，電機(jī)具有保持恒定轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)；而在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，電機(jī)具有保持恒定功率的特點(diǎn).

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性曲線

2.3 電池參數(shù)匹配

電池在純電動(dòng)客車中儲(chǔ)存著汽車運(yùn)行所需要的能量，它需要與電機(jī)和車輛的續(xù)駛能力等相結(jié)合，通過(guò)考慮車輛的經(jīng)濟(jì)性能，選取的電池各項(xiàng)性能：電池容量為140 Ah；額定電壓為320 V.

2.4 傳動(dòng)比的匹配

在純電動(dòng)客車中，主減速器和變速箱的目的主要是減速增矩，以適應(yīng)啟步、加速和爬坡等各種工況下所需求的高轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速.通過(guò)考慮電動(dòng)機(jī)的選取和性能，為了進(jìn)一步提升純電動(dòng)客車的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能，在本設(shè)計(jì)中選擇一個(gè)三擋變速箱.

分別考慮客車的最高車速和最大爬坡度，由此來(lái)確定主減速器和變速箱傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)范圍和要求.變速器的直接擋傳動(dòng)比為1，主減速器的傳動(dòng)比為

i0≤0.377nmaxr/vmax

(4)

式中：nmax為最高轉(zhuǎn)速；r為輪胎滾動(dòng)半徑；vmax為最高行駛車速.

為了使電動(dòng)機(jī)在處于最高車速運(yùn)行時(shí)，可以獲得較高的運(yùn)行效率，主減速器的傳動(dòng)比同時(shí)應(yīng)該符合

i0≥0.377nepr/vmax

(5)

式中：neq為電機(jī)最大功率點(diǎn)轉(zhuǎn)速.將各參數(shù)代入，結(jié)合其他選型，可取i0=4.875.

主減速器的傳動(dòng)比選定后，根據(jù)客車的最大爬坡度，確定其各擋傳動(dòng)比，這里確定變速器有三個(gè)擋位，直接擋的傳動(dòng)比最小，結(jié)合其選型，最終可以確定其各擋傳動(dòng)比參數(shù)：i0為4.875；ig1為2.8；ig2為1.36；ig3為1.

3 純電動(dòng)客車整車模型的建立

3.1 CRUISE運(yùn)行流程

根據(jù)純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)的組成成分，在軟件運(yùn)行窗口內(nèi)添加機(jī)構(gòu)內(nèi)組件模塊，如電機(jī)、電池、變速器、主減速器、差速器和車輪等基本構(gòu)成模塊.

根據(jù)純電動(dòng)客車整車參數(shù)以及各個(gè)內(nèi)部部件相應(yīng)的參數(shù)對(duì)搭建的模塊各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)定.

根據(jù)純電動(dòng)客車內(nèi)各組成部件的動(dòng)力傳遞關(guān)系及輸入輸出信號(hào)相互聯(lián)系對(duì)每個(gè)部件進(jìn)行物理和電氣信號(hào)連接.

依據(jù)仿真設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，設(shè)定幾種不同的運(yùn)行工況程序，如最大爬坡度、加速時(shí)間、最高車速和續(xù)駛里程等.

3.2 CRUISE仿真內(nèi)容

循環(huán)行駛工況：這個(gè)運(yùn)行工況任務(wù)主要是能夠測(cè)定車輛在UDC(城市循環(huán)工況)和 NEDC(城市郊區(qū)循環(huán)工況)等不同的循環(huán)運(yùn)行狀況下燃油消耗程度即耗電量和各種排放指標(biāo)等.

1) 爬坡性能分析 這個(gè)工況任務(wù)主要是指模擬仿真汽車在行駛過(guò)程中在其各個(gè)運(yùn)行速度情況內(nèi)不同擋位下的最大爬坡度，同樣可以計(jì)算根據(jù)用戶自己的條件設(shè)定仿真計(jì)算在某一特定轉(zhuǎn)速下的汽車的最大爬坡度.

2) 穩(wěn)態(tài)行駛性能分析 這個(gè)行駛工況包含各擋性能計(jì)算和最高車速兩個(gè)子任務(wù)，可以用來(lái)計(jì)算在設(shè)定的不同擋位下等速行駛百公里油耗量和排放量，也可以計(jì)算在不同的傳動(dòng)比設(shè)定下的理論最高車速和真實(shí)最高車速.

3) 全負(fù)荷加速性能分析 包含各擋最大加速性能計(jì)算(maximum acceleration in all gears)、原地啟步連續(xù)換擋加速性能計(jì)算(shifting gears from standstill)和超車加速性能計(jì)算(elasticity)三個(gè)不同的子任務(wù).其中各擋的最大加速性能計(jì)算可以得到指定汽車在每個(gè)不同的擋位下能夠達(dá)到的最大加速度；原地啟步連續(xù)換擋加速性能計(jì)算可以計(jì)算出車輛在連續(xù)換擋的條件下從靜止開(kāi)始啟步并且達(dá)到某一特定車速的加速性能分析：超車加速性能計(jì)算能夠得到車輛在某一初始速度條件下加速到一個(gè)特定車速的超車加速時(shí)間.

3.3 純電動(dòng)客車整車模型

根據(jù)純電動(dòng)客車的動(dòng)力傳遞路徑：電機(jī)→離合器→變速器→主減速器→差速器→車輪，搭建汽車的傳動(dòng)形式.其中在模型的建立過(guò)程中包括機(jī)械和電氣兩種連接，通過(guò)正確連接后的模型見(jiàn)圖3.然后對(duì)其中每個(gè)模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定.根據(jù)計(jì)算任務(wù)的要求，設(shè)置對(duì)應(yīng)的仿真任務(wù)，并進(jìn)行仿真分析計(jì)算.

圖3 純電動(dòng)客車整車模型

在整車傳動(dòng)結(jié)構(gòu)搭建以后，還需要完成內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定.在以上仿真結(jié)構(gòu)中，依據(jù)汽車外部形狀尺寸和研究目標(biāo)，同時(shí)以上各內(nèi)部結(jié)構(gòu)型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)每個(gè)組件完成標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定.

4 仿真結(jié)果分析

4.1 動(dòng)力性能分析

汽車的動(dòng)力性能是研究汽車的性能指標(biāo)好壞的關(guān)鍵因素，純電動(dòng)客車的動(dòng)力性能研究指標(biāo)主要包括最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度.

4.1.1最高車速和加速時(shí)間

圖4為速度特性曲線，由圖4可知，0～50 km/h的加速時(shí)間為12.96 s.滿足設(shè)定的加速時(shí)間20 s的要求.該車所能達(dá)到的最大車速為82.7 km/h.此時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min.達(dá)到了設(shè)定最高車速70 km/h的要求.因此，該設(shè)計(jì)滿足了汽車道路行駛的要求.

圖4 速度特性曲線

4.1.2最大爬坡度

汽車的最大爬坡度是汽車的一項(xiàng)重要的動(dòng)力評(píng)價(jià)指標(biāo)，見(jiàn)圖5.由圖5可知，該車最大爬坡度為19.8%，當(dāng)加速到20 km/h時(shí)，能達(dá)到的最大爬坡度為16.8%.當(dāng)加速到40 km/h時(shí)，能達(dá)到的最大爬坡度為7.4%.當(dāng)加速到60 km/h時(shí)，能達(dá)到的最大爬坡度為4.2%.滿足設(shè)定的爬坡指標(biāo)15%的要求.說(shuō)明該車的爬坡性能滿足設(shè)計(jì)行駛目標(biāo).

把每一個(gè)仿真程序所得結(jié)論與研究指標(biāo)進(jìn)行比較，得出的理論見(jiàn)表2.

表2 計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)要求結(jié)果對(duì)比表

由表2可知，利用軟件CRUISE進(jìn)行仿真研究得到的純電動(dòng)客車相應(yīng)動(dòng)力性能參數(shù)總體上達(dá)到了初始的研究目標(biāo)，進(jìn)一步確定了動(dòng)力系統(tǒng)指標(biāo)選取研究的可行性.

4.2 經(jīng)濟(jì)性能分析

車輛的續(xù)駛里程是指電池在設(shè)定的電量間能夠使汽車行駛的最大里程.在本研究中設(shè)定電池的SOC值從90%變化到10%，測(cè)定相應(yīng)的續(xù)駛里程，見(jiàn)圖6.圖6可知，續(xù)駛里程為231.29 km，達(dá)到了設(shè)定預(yù)期的續(xù)駛里程大于200 km的要求，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，同時(shí)達(dá)到使電池深度放電的要求.

圖6 續(xù)駛里程特性圖

5 傳動(dòng)比分析

表3為新設(shè)計(jì)的四種傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)方案.

表3 傳動(dòng)比匹配方案表

利用CRUISE軟件，對(duì)以上四種方案完成動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的仿真研究，并與最初方案進(jìn)行對(duì)比，得出的對(duì)比結(jié)論見(jiàn)表4.

表4 仿真結(jié)果對(duì)比表

對(duì)比最初方案與方案1和方案2可知，當(dāng)汽車的最大傳動(dòng)比和最小傳動(dòng)比保持恒定時(shí)，變化其中的傳動(dòng)比并不會(huì)使汽車的最高車速和最大爬坡度發(fā)生改變，但是這樣改變了加速時(shí)間，這是由于在汽車的處于加速狀態(tài)時(shí)，車輛在第一和第二擋位時(shí)的運(yùn)行情況有差別，并不是其中擋位的傳動(dòng)比越大，加速性能就越好.

對(duì)比初始方案和方案3可知，加大主減速器的傳動(dòng)比，相當(dāng)于整車的各擋傳動(dòng)比都變大了，所以方案三的爬坡性能得到了提高，同時(shí)車輛的加速時(shí)間也變短了，但是車輛的最高車速降低了一部分.這是由于方案3中每一個(gè)擋位的傳動(dòng)比都增大了，因此汽車的動(dòng)力性能就提高了，汽車的加速能力也因此加大.因而方案3的各項(xiàng)動(dòng)力性都比原方案好.

對(duì)比方案1和方案4可知，由于加大了最大傳動(dòng)比，因此最大爬坡度提高了，最小傳動(dòng)比恒定，因此最高車速仍然恒定.方案4中，汽車的爬坡能力和加速能力都要比方案1好，原因是方案4總體的傳動(dòng)比設(shè)定要比方案1大.

當(dāng)一些條件保持恒定的情況下，進(jìn)一步加大主減速器的傳動(dòng)比，能夠加強(qiáng)汽車的爬坡能力和加速能力，還能夠采用優(yōu)化最小傳動(dòng)比，讓汽車工作在效率較好的范圍，從而提高汽車的經(jīng)濟(jì)能力.仿真分析得到的結(jié)論和真實(shí)運(yùn)行情況相一致，進(jìn)一步達(dá)到了使用CRUISE軟件完成仿真分析的有效性.

6 結(jié) 論

1) 利用CRUISE軟件建立某純電動(dòng)客車的動(dòng)力系統(tǒng)模型，并且利用軟件完成了仿真設(shè)計(jì)，分析了客車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性.首先依據(jù)車輛參數(shù)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，綜合考慮車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)匹配，并進(jìn)行了選型.然后應(yīng)用CRUISE軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了參數(shù)匹配設(shè)計(jì)的正確性和可行性，并研究了傳動(dòng)比設(shè)計(jì)對(duì)整車性能的影響.

2) 通過(guò)觀察仿真結(jié)果，所設(shè)定的客車在0～50 km/h的加速時(shí)間為12.96 s，達(dá)到了小于20 s的需求；爬坡性能為19.8%，符合15%的要求；最高車速能夠達(dá)到82.7 km/h，滿足了70 km/h的要求；續(xù)駛里程為231.29 km≥200 km，滿足實(shí)際工況需求.

3)當(dāng)其它條件不變時(shí)，增大主減速器傳動(dòng)比可以提高汽車的爬坡能力和加速能力，并且通過(guò)優(yōu)化傳動(dòng)比可以提高汽車的工作效率，驗(yàn)證了仿真分析的真實(shí)可靠，為接下來(lái)的研究提供了基礎(chǔ).