小城市电动物流汽车动力匹配设计与仿真研究

郭伟东

（南京交通职业技术学院，南京 211188）

小城市电动物流汽车动力匹配设计与仿真研究

郭伟东

（南京交通职业技术学院，南京 211188）

本文根据小城市电动物流汽车的应用特点及城市物流运输工况，进行整车动力性能匹配设计，提出该车型的主要性能参数要求；并且针对我国特有的城市物流工况，在AVL-CRUISE的基础上，建立了电动汽车的整车模型，对主要动力参数进行了仿真与验证。同时，为完成原型车的设计和制造，根据匹配设计结果，进行实验验证，提升了该车能耗水平，延长了续驶里程。

小城市 电动物流车 动力匹配设计 仿真

引言

随着工业化进程的不断发展，传统化石燃料车辆的不足逐渐显现出来，因此为促进当今汽车行业的不断发展，研发更加节能环保的交通工具成为首要任务。与传统汽车相比，电动物理汽车具有结构简单、噪声低等优势。特别是在城市工况下运行，电动汽车更加适宜。并且作为一项新兴产品，电动汽车停止时，不消耗电量，在制动减速时，可以回收再利用能量，在我国具有得天独厚的发展条件和广阔的应用前景。

1 小城市电动汽车动力性能参数

1.1 电动汽车的受力

在行使过程中，电动汽车主要受驱动力和阻力两部分的影响。电动机提供驱动力Fi，滚动阻力Ff、空气阻力Fw、坡度阻力Fio、加速阻力Fj为其他阻力。受力平衡方程式为：

其中，ig表示变速传动比，i0表示主减速器传动比，ηt表示传动系统效率，m表示汽车质量，GD表示空气阻力系数，f表示车轮阻力系数，A表示迎风面积，δ表示汽车旋转质量换算系数,v表示车速，va表示汽车与空气相对速度。

1.2 电动城市物流汽车最高车速

当汽车所受驱动力和行驶阻力达到平衡时，汽车在无风的条件下具有的稳定车速，即为汽车最高车速。假设此时的坡度为0，加速度为0，根据动力学公式，那么汽车的最高车速为：

1.3 电动汽车电机机率

根据能量守恒定律，在电动物流汽车行驶过程中，获得的功率也是平衡的。当风速v风=0时，为得到功率平衡方程式，可同时将公式（2）两边乘以车辆行驶速度，然后经过单位换算即可获得。

电动汽车所受阻力消耗的功率包括滚动阻力功率Pf、加速阻力功率Pj、空气阻力功率PW、坡度阻力功率Pio。

1.4 加速时间

汽车加速时间包括汽车的原地起步和超车加速时间，表示的是汽车的加速性能。原地起步加速时间是由第一档起步，从静止状态下，以最大的加速强度逐步换到高档后所需要的时间。

1.5 最大爬坡度

是指在良好的路面上，汽车满载情况下，用第一档克服的最大坡度，是用来表征汽车的爬坡能力。爬坡度用坡度的角度值的正切值的百分数来表示。

2 小城市电动物流汽车设计

2.1 城市物流特点

在城市交通中，加速道路一般车流量较大，如城市中的高架桥、准高速路等，基本上没有红绿灯。城市主干道车流量较大，一般为城市的三、四车道，有红绿灯；细路人流量大，车速较慢，有红绿灯，一般为城市的单行道或商业区道路。调查资料显示，我国城市道路机动车平均车速为24.86km/h。

2.2 纯电动城市物流汽车设计

在运行的过程中，城市物流汽车不是每次都满载，每到一个卸货点，汽车就会卸下一部分货物，降低物流汽车的总质量。本文假设平均每天载货量是满载的80%，那么载货质量城线性降低。小城市物流汽车专门针对城市内网购送货。因此整车参数最大质量为1610kg，迎风面积为2.67m2，机械传动效率为90%，风阻系数为0.5，车轮半径为0.293m，质量转换系数为1.04.纯电动城市物流车的性能要求：最高车速为80km/h，最大爬坡度为≥20%，加速时间为≤15s（0～80km/h），最大续驶历程为≥80，平均速度为30km/h。在水平路面上均速行驶时，电动汽车的驱动力等于滚动阻力和空气阻力之和，即：

本文设计的纯电动汽车是作为城市物流车的使用，因此，在良好的城市路面上行驶，驱动电力功率应大体等于一档车速行驶时行驶阻力功率之和，爬坡度满足i≥20%即可。在设定物流汽车的平均速度上，为计算汽车的额定功率，针对我国城市物流工况设定为30km/h。然后综合以上两方面可选额定功率为P=18.5kW。额定转速为3000r，峰值功率45kW，最高转速为6000r。

传动比的选择上，本文采用式（8）、（9）分别计算最大和最小传动比。

电池匹配上，选择电池单体电压为3.2V，容量为63AH。确定单体电池数量采用工作电压：

经计算，按照工作电压确定的电池数量为100块。确定单体电池数量采用了最大输出功率：

按照最大输出功率，经过计算确定的单体电池数为92块。考虑安装空间写限制，在实际安装过程中，最终装在车上的电池数量为97块。

3 小城市电动汽车CRUISE模型的建立与仿真

3.1 建立整车模型

电动物流车整车模型建立采用AVL-CRUISE软件，利用软件中的整车模块、驾驶室模块等完成整车模型的建立，如图1所示。

图1 纯电动城市物流汽车模型

3.2 城市物流工况下的续驶里程仿真计算

结合城市物流的实际运行情况，通过研究城市小型物流车的运行特点，编制初步模拟城市物流工况的运行工况。假设货物变化情况是在虚实历里程内均匀降低，结合城市物流过程中货物质量变化，在CRUISE中进行仿真模拟。其次针对城市物流运行工况，行驶里程计算结果，对NEDC工况进行了仿真计算。研究过程中，实际车辆的制造按照匹配结果制造出的实车（图2）。并且为得到续驶历程和SOC变化关系，采用真实路况的路跑对制造的实车进行试验。

另外，本文对我国城市工况、NEDC工况分别进行了仿真计算，研究了SOC与行驶里程，获得物流工况的纯电动续驶里程为105km，平均速度为25.5km/h，SOC变化情况为95%～0%；NEDC工况的纯电动续驶里程为98km，平均速度为33.6km/h，SOC变化情况为95%～0%；试验工况的纯电动续驶里程为85.2km，平均速度为24.9km/h，SOC变化情况为95%～15%。由此可见，针对城市物流工况对汽车进行匹配可以实现更大的续驶里程，电动汽车的续驶里程与汽车的运行工况有关系。因此针对特定的运行工况的匹配结果，可以更好地提高电动汽车的续驶历程，可以更好地利用电动汽车的能量。

3.3 电动城市物流汽车爬坡性能、加速性能仿真计算

当爬坡度为20%时，汽车的最高速度完全满足城市物流汽车的动力需求，最高扯碎可以达到19km。汽车最高车速为102km/h时，纯电动城市物流汽车的加速性能能够满足设计时提出的设计要求。

图2 电动城市物流车实车图片

4 结论

针对城市物流车的运行工况，本文提出了纯电动物流汽车的设计要求，并且为了对动力系统进行匹配设计通过了理论计算。最后对我国初设的城市工况和NEDC工况，采用AVL-CRUISE软件进行了仿真。结果表明，在续驶里程方面，在NEDC工况下，通过我国城市物流运行工况匹配出的结果，匹配结果提高了7.1%。同时，试验实车对模型的准确性进行了验证，结果表明，针对我国城市物流工况的匹配设计可以提高能量的利用率，符合我国城市运行，可增加一定的续驶里程，仿真结果达到了实际设计要求。

[1]刘守霞，赵亚男，张昕.电动汽车在城市物流配送中的可行性分析［J］.佛山科学技术学院学报：自然科学版，2013，31（6）：9-12.

[2]常绿.纯电动微型汽车动力传动系参数设计及动力性仿真［J］.机械设计与制造，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