基于CRUISE的纯电动微型邮政车动力学仿真

李　婷，方　沂，李月超，徐　征，王旭龙

（1.天津职业技术师范大学机械工程学院，天津300222；2.天津职业技术师范大学人事处，天津300222；3.新乡职业技术学院汽车技术系，新乡450003；4.天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津300222）



基于CRUISE的纯电动微型邮政车动力学仿真

李婷1，方沂2，李月超3，徐征4，王旭龙4

（1.天津职业技术师范大学机械工程学院，天津300222；2.天津职业技术师范大学人事处，天津300222；3.新乡职业技术学院汽车技术系，新乡450003；4.天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津300222）

摘要：为给纯电动邮政车动力系统的零部件选型，根据整车设计要求，首先运用汽车动力学公式，对动力系统性能参数进行计算，并根据计算结果确定动力系统的性能指标。其次通过AVL Cruise软件对整车最大爬坡度及加速性能进行仿真研究，得出仿真结果满足设计要求。本研究方法为整车动力系统的选型工作提供了重要的理论参数。

关键词：纯电动邮政车；AVL Cruise软件；动力系统

AVL Cruise软件是研究汽车动力性、燃油经济性、排放性能及制动性能的高级模拟分析软件[1]。电动汽车相对于传统燃油车具有更为复杂的控制系统以及更加多元化的零部件系统，这要求电动汽车在设计开发初期能够有较为精准的计算仿真模型。基于Cruise的纯电动微型邮政车动力学仿真研究计算，可以更加准确直接地模拟车辆的动力性能，为产品的动力系统选型提供理论依据，缩短开发周期，提高研发效率，降低开发费用[2]。作为绿色交通方式，纯电动汽车的开发已然成为汽车行业的必要选择。本研究以某车型为研究对象，计算其动力系统的性能参数，并根据计算结果进行仿真分析，将得到的仿真结果与整车技术指标进行对比，验证其是否满足设计要求。

1　动力系统性能参数的计算

纯电动微型邮政车驱动系统的设计水平直接影响电动汽车的动力性和经济性，其设计的关键是驱动电机功率的准确计算、驱动电机与传动系统的参数匹配等问题[3]。对纯电动微型邮政车进行动力学仿真分析之前，首先应给出其设计要求，也就是整车技术指标参数，该参数如表1所示。

1.1电机功率需求分析

电机是纯电动微型邮政车的动力源，对其动力性和经济性影响最大，电机的参数选择与匹配包括电机的最大功率和额定功率、电机的最高转速和额定转速等[4]。根据汽车理论基本公式，通过基本计算，得出目标车型在各个车速下运行所需求的电机功率，以此可确定电机的基本功率需求。仿真中选取的滚动摩擦阻力系数的经验计算式为[5]：

表1　整车技术指标参考表

式中：ua是车辆瞬时速度。

根据已知的滚动摩擦阻力因数及在某一车速下电机功率的计算式（忽略坡道及加速阻力），可计算出电机的需求功率。电机功率的计算式为：

式中：Pe为车辆功率；ηT为从车轮到电动机的机械传动效率，在此取ηT= 0.9；G为车重，设计要求以半载状态下的车重计算；f为滚动摩擦阻力因数；Cd为空气阻力因数；A为迎风面积。

根据式（1）和式（2），滚动摩擦阻力系数及需求功率的计算结果如表2所示，相关参数值如表1所示。

表2　功率需求分析

根据表2可知，在不同车速下对应的滚动摩擦因数及电机的需求功率，依据设计目标（最高车速≥55 km/h）要求，选取电机功率需高于7.28 kW。由于对该物流邮政车的定位是低速专用车，而非普通的电动乘用车，它的最高车速也仅需达到55 km/h即可。因此，在对电机进行选择时，选取额定功率为7.5 kW的电机即可满足设计要求。此计算结果为下一步分析计算最高车速提供理论参数。

1.2变速箱档位选择以及电动汽车相关车速分析

根据数学基本公式、车轮滚动半径r和整车传动比igi0，可计算不同车速下对应的电机转速，以此对电机转速及变速箱档位选择提出相关要求。

1.2.1小变速箱档位选择

各车速对应的电机转速为：

式中：n为电机转速；整车传动比igi0为主减速比与变速箱档位减速比之积。根据式（3）及表1给出的已知参数计算电机转速，电机转速的计算结果如表3所示。由表3可知，同一车速对应变速箱2档3档位时电机转速不同，考虑车辆加速性能及转速需求，选择变速箱固定3档。

表3　转速需求分析

1.2.2最高车速分析

电机效率MAP图是反应电机系统在各个转速点下的工作效率，此性能对车辆的行驶特性及燃油经济性产生直接影响，因此为更好地匹配车辆性能指标，电机系统选型及测试尤为关键。根据国标[6-7]要求，对电机和电控系统进行台架试验并绘制出电机效率MAP图如图1所示。依据设计目标，车辆最高车速≥55 km/h，因此要求电机最高转速不应低于3 470 r/min；车辆经济车速为40 km/h，因此要求电机系统高效区转速应在2 524 r/min左右。

1.3车辆续驶里程及能量消耗率计算分析

电动车辆续驶里程是反应车辆行驶能力的基本指标，能量消耗率是反应车辆行驶效率的基本指标，从这2项指标可得出车辆的行驶经济性能。

综合考虑电机工作效率η1以及锂电池放电效率η0，电机工作效率由图1得知，评定电池放电电量为其容量的90%。车辆续驶里程的计算式为：

图1　电机效率MAP图

式中：S为车辆续驶里程；Q为电池总容量；Pe为对应车速下的电机功率；V为车辆行驶车速；η0为电池放电效率，在此取η0= 90%；η1电机工作效率。计算结果如表4所示。

表4　续驶里程分析

车辆能量消耗率的计算公式为：

式中：η为车辆能量消耗率，其他同式（4）。计算结果如

表5　车辆经济性分析

以上工况行驶里程均为电池包SOC 100%～10%的情形下仿真计算得出。同表1中对续驶里程的设计要求对比可知，40 km/h车速下匀速续驶里程为126 km，能量消耗率为8.75 Wh/km，均能满足设计要求。

2　动力系统仿真研究

2.1整车最大爬坡度分析

电机外特性曲线反映电机系统极限性能指标，直接影响整车的基本极限特性[8]，如最高车速、最大爬坡能力等性能。依据国标[7-8]要求对电机和电控系统进行台架试验并绘制出电机外特性曲线。车辆爬坡性能是车辆性能的重要指标之一，而其又与电机扭矩特性有直接关系。依据设计目标，车辆满载爬坡性能应大于等于15%，如果只忽略加速阻力，电机的输出转矩为：

式中：i为道路的坡度；其他参数定义同上。

图2　车辆仿真模型

根据式（6）设定车辆，可得出车辆在满载情况下所需电机扭矩为117 N·m，建立仿真模型如图2所示。电机外特性曲线如图3所示，根据图3对车辆爬坡能力进行仿真，得出车辆在不同载重情况下的爬坡能力曲线如图4所示。由图4可知，随着车速增加，电机转速增高，扭矩相应减小，因此车辆爬坡性能也随之下降。车辆满载时，车速不超过20 km/h，可满足最大爬坡度15%的要求。

图3　电机外特性曲线

图4　整车爬坡度

2.2加速性能仿真分析

为满足车辆起步时在规定时间内可达到相应速度的要求，故进行加速性能仿真分析。如果忽略爬坡阻力，由汽车行驶方程得到汽车加速度为：

式中：Ft为汽车驱动力；Ff为滚动摩擦阻力；Fw为空气阻力；δ为汽车旋转质量转换系数；m为车重；其他参数定义同上。由运动学可知，由某一车速u1加速到另一较高车速u2所需的时间为：

仿真结果和加速曲线如图5所示。

图5　整车加速性能仿真曲线

将图5的仿真结果与表1中的参考值进行比较可知，0～40 km/h时的加速时间为14.9 s，小于15 s；40～50 km/h时的加速时间为10.2 s，小于13 s，仿真计算的结果能够满足设计要求。

3　结束语

本文对纯电动微型邮政车的电动机和电池包的特性参数匹配进行研究，以整车的最高车速、爬坡性能、加速性能及续驶里程等重要指标为出发点，通过Cruise软件对其进行仿真计算，确定最佳的参数匹配结果。试制样车的测试结果表明，根据仿真计算结果选取的电动机，其各项性能参数符合整车要求。由此看来，纯电动微型邮政车动力学的仿真研究对整车动力系统设计提供了重要的理论依据。

参考文献：

［1］牛明强，郭兴众，孙驷洲，等.基于CRUISE的纯电动汽车动力系统参数匹配与仿真［J］.安徽工程大学学报，2014 （3）：49-53.

［2］姚帅，王伟涛，郑建，等.Cruise仿真分析在电动汽车整车性能开发中的应用［C］//河南省汽车工程学会.第九届河南省汽车工程技术研讨会论文集.郑州：河南省汽车工程学会，2012：3.

［3］尹红彬，王越，尤迪.纯电动汽车驱动系统设计及仿真分析［J］.农业装备与车辆工程，2014（6）：51-53.

［4］朱鹏飞，赵文杰，许宏云.基于CRUISE纯电动汽车匹配计算与仿真［J］.上海汽车，2012（9）：11-15.

［5］余志生.汽车理论［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［6］温旭辉，刘彤彦，郭淑英，等.GB/T 18488.1-2006电动汽车用电机及其控制器［S］.北京：中国标准出版社，2007.

［7］金惟武，李宝金，陈伟华，等.GB/T 1032-2005三相异步电机试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2006.

［8］盘朝奉，徐兴，廖学良，等.基于动态建模仿真的纯电动汽车动力性分析［J］.重庆交通大学学报：自然科学版，2012 （2）：335-338.

Dynamics simulation for pure electric mini post car based on CRUISE

LI Ting1，FANG 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

作者简介：李婷（1989—），女，硕士研究生；方沂（1963—），男，教授，硕士生导师，研究方向为机械电子技术、现代设计方法等.

基金项目：天津市应用基础与前沿技术研究计划项目（14JCYBJC22000）.

收稿日期：2015-09-22

中图分类号：U469.72

文献标识码：A

文章编号：2095－0926（2016）01－0054－04