基于Cruise 的某纯电动商用汽车动力系统参数匹配及仿真研究

章印，王彧喧，吴鹰，万茂松

（1.211800 江苏省 南京市 南京依维柯汽车有限公司；2.210037 江苏省 南京市 南京林业大学 汽车与交通工程学院）

0 引言

全球环境污染，温室效应不断加剧，化石燃料日渐短缺，传统燃油汽车尾气排放、噪声对城市环境的污染越来越大，日益增长的汽车需求使得以上问题日益严重。据统计，每年全球因空气污染导致的死亡人数高达约650 万[1]。为响应“绿水青山就是金山银山”号召，近年来大力发展新能源汽车产业成为我国汽车工业的新趋势。开发一款全新的纯电动汽车开发周期长，成本高，而企业在传统的燃油车平台进行电动化开发是一种高效方法。在满足整车总布置的基础上，进行纯电动汽车动力系统参数合理匹配至关重要，这决定了整车的动力性、经济性。

纯电动汽车动力系统由电池、电机、电机控制器和传动系统组成[2]。本车型在某传统燃油车平台基础上进行电动化开发，通过理论计算确定电机及电池组型式和主要参数，并结合市场选择合适的供应商，然后利用动力性、经济性仿真软件AVL-Cruise 进行仿真，验证了匹配结果的正确性。

1 动力系统参数匹配

1.1 纯电动汽车整车基本参数及性能指标

本文以某款传统燃油厢式货车为原型，根据确定的整车性能目标，新开发一款纯电动厢式货车。纯电动厢式货车整车基本参数见表1，整车性能目标如表2 所示。

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

表2 整车性能目标Tab.2 Vehicle performance objectives

1.2 电机选型及参数匹配

（1）电机类型选择

电机的主要类型有直流电机、交流感应电机、开关磁阻电机和永磁同步电机。在以上4 种电机中，虽然永磁同步电机在实际使用过程中存在电机过载易带来电机过热，电机工作效率过低的问题，但永磁同步电机的优点是尺寸小，重量轻，便于进行整车布置；永磁同步电机转子上没有绕组，具有很高的峰值效率和负荷效率；同时永磁同步电机成本低、便于维修[3]。综合各因素，选择永磁同步电机作为驱动电机。

（2）电机参数选择

在选取电机峰值功率时，需要综合考虑最高车速、最大爬坡度、加速性能3 项内容的需求[4]。因此电机峰值功率Pmax应不小于3 项指标分别所需功率的最大值

式中：Pv，Pi，Pj——满足最高车速、最大爬坡度、加速性能下的需求功率。

满足汽车最高车速要求的对应功率计算式如式（2）：

式中：umax——最高车速，km/h；ηT——汽车传动系总效率；CD——风阻系数；A——迎风面积；f——滚动阻力系数。

满足最大爬坡度的需求功率计算式为：

式中：ui——以最大爬坡度爬坡时的车速，km/h。

在实际设计过程中，计算电机加速时需求功率如下：

式中：δ——旋转质量换算系数，取1.05；dt——迭代步长，取0.1 s；x——耦合系数，取0.5；tm——汽车的加速时间，s；um——汽车加速末的速度，km/h。

根据GB/T 18385-2005《电动汽车 动力性能 试验方法》的规定，式（2）和式（4）中，m的取值为电动汽车整备质量和附加质量之和，本文中的附加质量为最大允许装载质量的一半（800 kg）。式（3）中，m 的取值为最大设计总质量。根据以上各式和表1、表2 中参数可求得Pmax≥101.99 kW。

驱动电机的额定功率应当满足最高车速巡航的要求即Pe≥Pi，即Pe≥38.32 kW。

额定功率与最大功率满足式（5）：

式中：λ——电机过载系数，通常永磁同步电机过载系数为1.3～2.0（峰值功率与额定功率之比）[5]，因此额定功率Pe=51.01～78.45 kW。

电机的最高转速应能满足最高车速要求，如式（6）：

式中：i0——主减速比；r ——车轮半径。

求得电机最高转速nmax=3 563 r/min。

电机的峰值扭矩应至少满足爬坡需求，因此电机峰值扭矩如下：

求得电机的峰值扭矩T=877 N·m。

根据以上计算结果，按照取大原则，初选电动汽车电机参数如表3 所示。

表3 电动汽车电机参数表Tab.3 Parameters of electric vehicle motor

1.3 电池选型及参数匹配

电池组容量取决于整车的设计续驶里程，汽车匀速行驶时所需功率为

电池组电量Q 的计算表达式为

式中：P——车辆40 km/h 匀速行驶时所需功率；s——续驶里程；η1——电机及电机控制器效率，取0.85；u——车速。放电深度取值为90%。

根据《2020 年新能源汽车推广补贴方案及产品技术要求》：纯电动货车单位载质量能量消耗量（Ekg）不高于0.29 (W·h)/(km·kg)。

式中：E——按电动汽车GB/T 18386.1-2021《电动汽车能量消耗量和续驶里程试验方法 第1 部分：轻型汽车》中消耗的电能除以行驶里程所得的值；M——附加质量，最大允许装载质量的一半（800 kg）。

根据式（9）和式（10）求得电池电量：76.6 kW·h ≤Q ≤95.38 kW·h。

根据所选电机供应商提供的数据，电机额定输入电压为384 V。综合考虑成本和使用场景的需要，选择磷酸铁锂电池作为动力电池。电池由120 个标称电压为3.22 V 的电芯串联而成，最终确定电压平台参数为386.4 V，满足电机额定输入电压384 V 的要求。综上所述，选取的动力电池参数如表4 所示。

表4 电动汽车动力电池参数表Tab.4 Parameters of electric vehicle power battery

2 Cruise 仿真分析

本文利用仿真软件AVL-Cruise 建立整车的仿真模型，对该车的动力性和经济性进行仿真和分析，验证性能目标的合理性。Cruise 提供了友好的人机交互界面，用户可以迅速添加模块化组件，添加控制模块，并正确连接数据总线即可得到整车模型。通过Cruise 仿真，可以在设计时不断调整优化整车性能目标，从而为车辆的设计提供指导性的意见。

2.1 整车仿真模型的建立

汽车动力传递路线为电机→主减速器→差速器→半轴→车轮，在Cruise 软件中建立如图1 所示整车模型，设置相应各模块参数和任务，并进行仿真计算。

图1 纯电动汽车Cruise 整车模型Fig.1 Cruise vehicle model of pure electric vehicle

2.2 AVL-Cruise 的仿真分析验证

2.2.1 最高车速和加速时间验证

由图2 知，该车型最高车速达125 km/h，达到最高车速≥100 km/h 的性能目标，0～30 km/h加速时间为2.57 s，30～50 km/h 加速时间为2.75 s，0～100 km/h 加速时间为24.69 s，均满足性能指标要求。

图2 距离、速度、加速度随时间变化曲线Fig.2 Variation curve of distance,velocity and acceleration with time

2.2.2 爬坡性能验证

汽车最大爬坡度决定了汽车的爬坡性能，是衡量汽车动力性的一项重要指标。由图3 可知，该车型最大爬坡度29.68%，满足设计要求最大爬坡度≥25%的设计要求；25%爬坡度对应的爬坡车速为31 km/h，满足25%爬坡度的爬坡车速≥10 km/h 的性能设计指标。

图3 爬坡性能仿真Fig.3 Climbing performance simulation

2.2.3 续驶里程验证

图4 是40 km/h 等速行驶下电池SOC 值变化量与行驶里程的关系。

图4 电池SOC 值与行驶里程的关系Fig.4 Relationship between battery SOC value and mileage

按GB/T 18386《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》规定，设置试验质量为满载，在Cruise 中建立车速为40 km/h 的等速行驶工况，使该工况的时间足够长，直到电池电量消耗完[6]。由图4 可知，40 km/h 等速行驶工况，续驶里程为378.9 km，满足设计要求。

3 结论

本文根据某纯电动商用汽车的性能目标，对电池、电机参数进行了理论计算和选型，通过Cruise 建立了仿真模型，仿真结果显示：最高车速125 km/h＞100 km/h，0～30 km/h加速时间为2.57 s，30-50 km/h 加速时间为2.75 s，0～100 km/h加速时间为24.69 s，满足性能指标；最大爬坡度29.68%＞25%，25%爬坡度对应的爬坡车速为31 km/h＞10 km/h，均满足设计要求；续驶里程为378 km＞370 km，满足性能目标要求。

利用Cruise 进行性能仿真，可以缩短研发周期，为整车性能的制定提供指导性建议，仿真结果为实车试验提供了重要的参考数据。