基于Cruise软件某纯电动物流车动力性仿真验证

2021-06-02王长明孙廷军左鹏进孙镇张继法于志超陈涛

农业装备与车辆工程 2021年5期

王长明，孙廷军，左鹏进，孙镇，张继法，于志超，陈涛

（255000山东省淄博市山东唐骏欧铃汽车制造有限公司汽车研究院）

0 引言

对于传统汽车带来的能源及环境污染问题，开发和研究纯电动车是解决问题的重要手段之一[1]。本文以我公司开发的某款纯电动物流车为研究对象，依据市场需求，确定整车开发需求参数后，通过理论计算完成其驱动电机参数、传动系速比的匹配与选型[2]。运用AVL-Cruise软件搭建该车型整车仿真模型，对其动力性进行仿真运算，将仿真结果与理论计算的结果进行对比，验证了仿真模型的正确性。后期利用该仿真模型修改动力电池模块参数使开发车型达到合适的续航里程，使该车型单位载质量能量消耗量（Ekg）指标满足新能源汽车推广应用补助标准要求，为该车型顺利拿到国家补贴奠定基础，也为后期我公司能够快速开发其它纯电动车型提供借鉴经验。

1 动力参数匹配计算

1.1 开发车型基本参数及动力指标要求

以市场为导向，在我公司现有车型平台基础上，确定了整车基本参数以及整车动力性能设计指标分别如表1、表2所示。

表1 整车基本参数Tab.1 Basic parameters of the whole vehicle

表2 动力性能设计指标Tab.2 Dynamic performance design index

1.2 驱动电机的参数匹配

驱动电机性能参数匹配要满足整车的动力性能和经济性能要求，主要计算参数包括额定功率、峰值功率、额定转速、峰值转速、额定转矩、峰值转矩等[3]。

1.2.1 电机额定功率/峰值功率的计算

（1）按照30 min最高车速85 km/h计算驱动电机的额定功率，计算公式如下：

式中：Pe——电机额定功率，kW；Umax——最高车速，km/h；m——车辆质量，kg；g ——重力加速度，m/s2；f ——滚动阻力系数；CD——空气阻力系数；A——迎风面积，m2；ηT——传动系统效率。

代入数值，计算得 Pe=33.70 kW。

（2）按照1 km最高车速90 km/h计算驱动电机峰值功率，计算公式如下：

式中：Pmax——电机峰值功率，kW。

代入数值，计算得 Pmax=38.28 kW。

（3）由最大爬坡度20%车速10 km/h计算电机峰值功率，计算公式如下：

式中：Ff——滚动阻力，N；Fi——加速阻力，N；Fw——空气阻力，N。

代入数值，计算得 Pmax=22.36 kW。

（4）加速工况下确定电机的峰值功率

由0～30 km/h加速时间3 s，按最大总质量计算电机峰值功率。

0～30 km/h时，时速不大，全力加速时以加速阻力为主，忽略滚动阻力和空气质量，加速过程中，电机输出的功率全部转换为汽车动能为

式中：δ——汽车旋转质量换算系数。

加速时间为3 s，平均功率为

由30～50 km/h加速时间3 s，按最大总质量计算电机峰值功率。

30～50 km/h时，时速不大，全力加速时以加速阻力为主，忽略滚动阻力和空气质量，加速过程中，电机输出的功率全部转换为汽车动能为

加速时间为3 s，平均功率为

此状态下，电机的峰值功率Pmax一定要大于平均功率。

电机特性在低速时呈现出近似恒转矩特性，运用恒转矩估算功率。汽车在0～30 km/h，30～50 km/h加速过程中的平均加速度。

恒转矩特性时，转速（车速）越高，功率越大。以加速度末的30 km/h，50 km/h计算此时的功率

此状态下计算的加速功率Pj，比较保守；电机峰值功率Pmax应分别介于之间，可以取两者算术平均值较大值约为70.1 kW，作为电机峰值功率的初选值。

选择电机功率时，30 min最高车速85 km/h是一种实际中可以接近使用的工况，计算功率应该是作为持续功率，分别按1 km最高车速90 km/h计算、最大爬坡度20%计算、加速工况计算的功率作为峰值功率，选取电机的峰值功率。因此，该车型匹配电机的持续功率不小于34.45 kW，峰值功率不小于70.1 kW[4]。

1.2.2 峰值转速的计算

按照整车性能参数表中的常规车速确定驱动电机的额定转速，以最高车速确定驱动电机的峰值转速，计算公式如下

式中：ig——主减速器速比；i0——变速箱速比；nmaxv——电机峰值转速，r/min；r ——轮胎半径，m。

考虑电机的温升、寿命、安全等因素，车辆行驶过程中应避免电机运行在最高转速点，根据行业设计经验，预留10%的设计余量，则电机峰值转速为

1.2.3 峰值转矩的计算

按照车辆起动的转矩和最大爬坡转矩，结合车辆的变速比来确定，计算公式如下：

式中：Tmax——电机峰值扭矩，N·m。

代入数值，计算得Tmax=181.8 N·m。

满足最大爬坡度要求的电机转矩不小于181.8 N·m。

结合南京越博动力系统股份有限公司现有驱动电机强检报告产品（TZ200XS-YBM417），选取的驱动电机参数见表3。

表3 匹配选取的电机参数Tab.3 Matching selected motor parameters

2 整车仿真模型建立与动力性仿真验证

2.1 整车仿真模型建立

基于AVL-Cruise软件，建立如图1所示的纯电动物流车模型，该模型主要包括车轮模型、主减速器模型、变速箱模型、制动器模型、电动机模型、动力电池模型和驾驶员模型等[5]。

图1 整车仿真模型Fig.1 Vehicle simulation model

在整车模型搭建完成之后，建立模块之间的物理连接与信号连接，最后，依据该车型的实际参数设置修改Cruise模块的参数。其中，动力电池模块根据我公司经验值，前期选取江苏明美新能源科技有限公司一款三元锂PEB4BO22M产品（135 A·h，380.64 V，51.386 kW·h），后期会输入其他不同电池厂家的产品参数，再进行经济性仿真。

2.2 动力性仿真验证[6]

2.2.1 最高车速仿真验证

在Cruise软件Task Folder中，建立Constant Drive-Maximum Velocity without slip任务，进行最高车速仿真。从Result Manager/results.log中查看仿真结果，最高车速为102.41 km/h，如图2所示。根据理论计算（同时满足电机最大功率和最大转速），最高车速为102.409 km/h，理论计算与仿真数据完全一致。

图2 最高车速仿真数据Fig.2 Simulation data of maximum speed

2.2.2 加速性仿真验证

建立Full Load Acceleration仿真任务，计算0～30 km/h，30～50 km/h加速时间分别为3.0 s，2.2 s，加速时间仿真结果如图3、图4所示。根据加速度计算公式，电机的功率完全用在加速性能上，可计算出0～30 km/h，30～50 km/h加速时间分别为2.75 s，2.40 s，仿真计算结果与理论计算分别相差0.25，0.20 s，误差分别为8.33%和9.09%，均在可接受范围内。