基于Cruise的纯电动物流车动力系统仿真

雷　腾，许同盟，李　锋，杨万国，王　强，焦亚男

（1.山东大学机械工程学院，山东 济南　250000；2.山东五征集团有限公司，山东 日照　276800）

基于Cruise的纯电动物流车动力系统仿真

雷腾1，2，许同盟1，2，李锋2，杨万国2，王强2，焦亚男2

（1.山东大学机械工程学院，山东 济南250000；2.山东五征集团有限公司，山东 日照276800）

基于Cruise软件的仿真分析来模拟城市工况，对纯电动物流车动力系统的关键参数进行分析，验证设计的合理性。

纯电动物流车；动力系统；仿真分析；Cruise

近年来雾霾侵袭导致全国大部分地区PM2.5严重爆表，环境污染成为人们关注的焦点，机动车尾气也是城市环境污染来源之一。随着国家对排放要求的升级，绿色交通的概念开始推广，城市物流车担负着城市运输的重任，自然对排放等级要求更加严格。开发一款纯电动物流车型来代替燃油车，不仅为城市环境带来改善，而且复杂的城市交通情况更能发挥纯电动汽车的优势。

1　纯电动物流车整车参数及性能指标要求

城市物流运输车型必须要有良好的动力性能，才能适合城市道路的运输工况。本文设计的纯电动物流车型性能、参数指标见表1和表2。

表1　纯电动物流车性能指标

2　动力系统参数匹配设计

纯电动汽车的动力性主要取决于动力及传动系统参数匹配，包括动力电池、驱动电机及传动系统控制器等部件［11］，其评价指标最常用的参数有：最高车速、最大爬坡度和加速时间［22］。作为一款城市市内物流运输车型，对车速和加速时间要求比较高，需要选择合适的驱动电机。所选驱动电机的功率越大，整车的动力性能也就越好，但还要兼顾到产品的使用经济性和开发成本等因素。因此，针对设计目标合理的匹配电机参数，所选用的驱动电机功率应能满足电动汽车对最高车速、最大爬坡度以及加速时间的要求［33］。需要确定其额定功率PPee、峰值功率PPmmaaxx、最大转矩TTmmaaxx等参数。

表2　纯电动物流车基本参数

2

2.11功率计算

11）当汽车以某一速度vvaa行驶在一定坡度ii上时，所需功率为

式中：f——滚动摩擦力系数；m——整车质量；CD——风阻系数；A——迎风面积；va——车速；g——重力加速度；η——传动效率；α——坡度 （角度），α=arctani。根据我国相关公路工程技术标准中对道路纵向坡度的要求，可取适量的道路坡度i进行额定功率计算Pi。

2）根据整车性能需求，满载情况下，最高车速行驶在一定坡度时，可得电机最大功率Pj。

3）加速时间功率验证，根据整车性能参数，0—50km/h加速时间为10s，则根据公式可以计算出电机功率为

式中：v——加速末的速度；δ——旋转质量转换系数。

驱动电机的最大功率要同时满足不同工况下的需求，即Pmax≥max｛Pi，Pj，Pc｝，因此，综合以上各种情况的考虑，驱动电机的额定功率为30 kW，最大功率取值Pmax=60kW。

计算出电机的额定转矩。根据步骤1）～4）初步选定电机的参数见表3。

表3　电机参数

2.2电机减速传动比的确定

1）由电机的最高转速和最高行驶车速确定最小传动比

式中：nmax——电机最高转速，r/min；vmax——电动汽车最高车速，km/h；r——车轮滚动半径。

2）最大传动比由最大爬坡度计算

最大爬坡度为25%，带入相关数值，取得传动比的数值。

2.3动力电池包匹配

在此项目要求中，要求60km/h等速能够达到里程240km。

在车速60km/h速度运行下电机消耗的功率为

总续航里程的耗电量为Ea=Pel×t。

根据电机的工作效率η1、电池的放电率η2，能量守恒得出电池包的能量E=Ea/（η1×η2），整车高压平台为380V，可计算出电池额定容量C=151Ah。

3　AVL-Cruise建模与仿真

3.1仿真模型的建立

Cruise软件提供了一种图形化的交互环境，将汽车的各个零部件模块化，根据研究的需要添加相应的控制模块，并正确连接数据总线［4］。整车建模过程中，将相关的模块调用，搭建整车架构，根据整车参数对汽车的动力性、经济性进行模拟仿真。纯电动物流车整车模型结构如图1所示。

图1　纯电动商用车Cruise模型

3.2仿真结果分析

本文对研究车型进行了车辆加速性能、爬坡性能、等速续航里程、NEDC（欧洲循环工况）等进行了模拟分析，具体分析结果如下。

1）加速性能分析纯电动物流车在城市道路运输中，需要不断地起停、加减速。因此，对整车动力性能的加减速和最高车速要求比较高。本文设计的这款城市纯电动物流车型，要求0—50km/h的加速度设计目标为≤10s。通过Cruise软件的综合分析，整车加速性能如图2所示，0—50km/h的加速时间为8.2s，符合最初的设计目标。

图2　0—50km/h加速性能曲线图

2）最高车速分析城市物流车主要负责城市内的物流运输，对整车速度也有一定的要求，结合中国目前城市物流车型的情况，对整车的最初设计目标为满载的情况下车辆速度≥85km/h。通过Cruise软件的分析，如图3所示，在整车满载的情况下，车辆的最高速度可达91km/h，满足本文最初的设计目标。

图3　最高车速曲线图

3）爬坡性能分析汽车的最大爬坡度作为汽车动力性能的一个重要指标［5］，城市物流车对整车爬坡度性能指标也有一定的要求。本文最初的设计目标为≥25°。通过Cruise软件的综合分析，车速在25km/h时可达到的最大爬坡度为28°，满足车辆的性能需求，结果如图4所示。

图4　爬坡性能曲线图

4）NEDC循环工况下整车性能分析 如图5所示，循环工况下，整车的车速与瞬态电量消耗曲线显示，整车的动力匹配在满足NEDC工况的要求下，整车耗电量SOC变化比较平稳，瞬时起停对电池电量的消耗也符合初期的预定目标。低车速运行时，SOC下降比较平缓，随着车速的增大，电机功率的加大，SOC下降比较明显。

图5　NEDC工况曲线图

4　结论

本文针对城市运输工况的特点开发设计一款纯电动物流车，对其动力系统的关键参数进行设计计算，然后运用Cruise软件进行建模和仿真分析。通过对整车的加速性能、爬坡性能、最大车速和NEDC工况的模拟分析，根据最后的仿真结果来验证设计的合理性。仿真结果显示，整车的动力系统满足设计需求，能够达到设计目标。运用Cruise软件仿真分析，可以进一步验证设计的可行性与准确性。

［1］杨程，杜振新.基于某款电动汽车动力系统计算与仿真分析［J］.科技导刊-电子版 （上旬），2015（7）：164-165.

［2］张文广，张振东，兰志波，等.应用CRUISE的商用车传动系统匹配研究［J］.现代制造工程，2015（12）：34-112.

［3］余志生.汽车理论［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［4］刘振军，赵海峰，秦大同.基于CRUISE的动力传动系统建模与仿真分析［J］.重庆大学学报：自然科学版，2005，28（11）：8-11.

［5］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.

（编辑杨景）

Power System Simulation of Pure Electric Carrier Vehicle Based on Cruise

LEI Teng1，2，XU Tong-meng1，2，LI Feng2，YANG Wan-guo2，WANG Qiang2，JIAO Ya-nan2
（1.School of Mechanical Engineering，Shandong University，Ji'nan 250000，China；2.Shandong Wuzheng Group Co.，Ltd.，Rizhao 276800，China）

In this paper，simulation is conducted for the city driving situation based on Cruise software，in which key parameters of pure-electric power system is analyzed，and verified for feasibility.

pure electric carrier vehicle；power system；simulation analysis；Cruise

U469.72

A

1003-8639（2016）09-0001-03

2016-03-21；

2016-06-12

雷腾 （1987-）男，硕士，工程师，研究方向为新能源汽车设计、整车开发工作。