朱彦云 Zhu Yanyun



纯电动城市物流车动力系统参数匹配与性能仿真

朱彦云 Zhu Yanyun

（武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室 汽车零部件技术湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430070）

针对一款已知基本参数的纯电动城市物流车，根据整车性能目标参数，对动力系统主要部件进行参数设计和选型。之后基于Cruise仿真软件搭建整车模型，并从动力性和经济性两方面分析整车性能，验证匹配设计的合理性。

纯电动城市物流车；动力系统；匹配；仿真

0 引 言

随着我国经济的快速发展，人们对各类生活用品的需求量大幅上升，极大地促进了我国城市物流运输行业的发展[1]。然而，城市物流车数量的迅速增长也给城市发展带来了交通拥挤、汽车尾气污染等一系列问题。为解决上述问题，开发一款专用的纯电动城市物流车十分迫切。

1 动力系统匹配设计

1.1 动力系统结构形式

传统驱动布置形式对电机及其控制系统要求较低，这种布置形式既能够提高整车起动转矩，增加低速时的后备功率；又可以更好地利用传统燃料城市物流车的底盘，大大降低开发成本；所以，采用如图1所示的传统驱动布置形式。

注：M－电机；GB－变速箱；D－差速器；C－离合器。

1.2 动力系统参数匹配

整车基本参数与整车性能目标参数分别见表1、表2。

表1 整车基本参数

参数 数值 外形尺寸/mm4 150×1 620×1 905 整车整备质量/kg2 085 满载质量m/kg3 100 迎风面积A/m² 2.64 风阻系数CD 0.5 滚动阻力系数f 0.013 旋转质量换算系数δ 1.06 传动效率ηt/% 85 轮胎175/70R13LT

表2 整车性能目标参数

参数数值 最高车速vmax/（km/h）≥95 最大爬坡度imax/%≥20 0～50 km/h加速时间tm /s≤10 等速行驶里程/km≥180 循环工况行驶里程/km≥130

1.2.1 电机参数匹配

整车性能的优劣在很大程度上取决于电机[2]，电机需要匹配的参数主要有额定功率与峰值功率、额定转速与峰值转速、额定转矩与峰值转矩[3]。

1）额定功率与峰值功率的确定

最高车速时电机功率峰1为

当以=20 km/h的恒定车速爬坡时，电机的功率峰2为

（2）

加速过程中电机最大功率峰3为

式中，m为加速时间，；m为加速末时刻的速度，km/h。

电机需要保证纯电动城市物流车在最高车速、爬坡、加速等各种工况下都可以正常行驶，因此电机的峰值功率峰为：，故电机的峰值功率取为峰=58.0 kW。

电机的额定功率e为

式中，为电机过载系数，一般取值2～3，文中选取=2。

2）额定转速和最高转速的确定

电机转速是电机的主要参数之一，会对电机的价格、大小、生产工艺等产生很大影响。选用最高转速max=4 000 r/min的低速电机作为驱动电机。电机的额定转速e与最高转速max关系如下

式中，为恒功率区扩大系数，一般取值2～4，文中选取=3。

3）额定转矩和峰值转矩的确定

电机的额定转矩e为

电机的峰值转矩

（7）

最终选取某款永磁无刷直流电机作为驱动电机，其参数见表3。

表3 电机主要参数

性能参数数值 额定功率/kW 29 峰值功率/kW 58 额定转速/（r/min）1 370 最高转速/（r/min）4 000 额定转矩/N·m 202 峰值转矩/N·m 404

1.2.2 传动系统参数设计

将变速器的最高挡位设计成直接挡，所以传动系统最小传动比min等于主减速器传动比0。

（1）最小传动比确定

最小传动比min可以通过整车最高速度计算得到[4]，其计算公式为

式中，为车轮滚动半径，m；max为变速器输入端最高转速，r/min。选取主减速器传动比0为3.175。

2）通过最大爬坡度计算最大传动比

3）确定满足附着条件的最大传动比

（10）

式中，为附着系数，对于混凝土和沥青路面一般取值0.5～0.6[3]。

4）确定变速器的挡位数与各挡传动比

根据等比分配原则，变速器不同挡位传动比的实际分布关系为

最终设计的变速器传动比见表4。

表4 自动变速器参数

参数数值 I挡传动比i12.35 Ⅱ挡传动比i21.53 Ⅲ挡传动比i31

1.2.3 动力电池参数设计

选择动力电池组的总电压为330 V，单体额定电压为3.3 V，将100块单体电池串联起来得到所需的动力电池组。

纯电动城市物流车以40 km/h的车速匀速行驶180 km，驱动电机所需的功率re为

目标行驶里程下动力电池组需要的总容量为

（12）

式中，obj为匀速行驶车速，km/h；obj为目标行驶里程，km；m为电机工作效率。考虑一定余量，选取=110 Ah。

综上所述，最终选定的动力电池组性能参数见表5。

表5 动力电池组主要性能参数

性能参数数值 电池种类磷酸铁锂电池 单体电压/V 3.3 电池总数/块100 总电压/V330 额定容量/Ah110

2 整车建模与仿真

2.1 整车模型建立

基于AVL Cruise仿真软件建立整车模型的过程中，只需将整车模块、电机模块、电池模块、变速箱模块、车轮模块等从模块库中拖入建模窗口，建立各模块之间的机械连接、电气连接以及信号连接，并在各模块输入界面中输入相应的参数，之后设置计算模式，整车仿真模型如图2所示。

2.2 仿真结果分析

2.2.1 动力性仿真结果分析

1）最高车速仿真结果分析

纯电动城市物流车的电机功率-行驶阻力功率平衡图如图3所示。由图可知，整车的最高速度为133 km/h，满足设计要求。

图2 纯电动城市物流车性能仿真模型

注：Pf为滚动阻力矩；Pw为空气阻力矩。

2）0～50 km/h加速时间仿真结果分析

0～50 km/h加速时间仿真结果如图4所示。由图可知，0～50 km/h加速时间为9.3 s，满足设计要求。

3）最大爬坡度仿真结果分析

最大爬坡度仿真结果如图5所示。由图可知，最大爬坡度为31%，满足设计要求。

2.2.2 经济性仿真结果分析

1）等速行驶里程

使整车以40 km/h的速度匀速行驶，直到SOC达到所设定的10%临界值。等速行驶仿真计算时行驶里程与SOC的变化关系如图6所示，由图可知，在SOC从95%下降到10%的过程中，行驶里程达到了191 km，满足设计要求。

2）循环工况行驶里程

在AVL Cruise仿真软件中对纯电动城市物流车进行中国典型城市道路循环（Chinese Typical Urban Driving Cycle，CTUDC）行驶里程试验，CTUDC工况图如图7所示。

使纯电动城市物流车运行在不断循环的CTUDC工况下，直到SOC达到所设定的10%。CTUDC工况下的行驶里程与SOC的变化关系如图8所示，从图中可以看出，在SOC从95%下降到10%的过程中，行驶里程达到了142 km，满足设计要求。

将仿真结果与设计要求进行对比分析，所设计的纯电动城市物流车的动力系统能够满足整车的设计要求，见表6。

表6 整车综合性能仿真结果与设计要求对比表

参数仿真结果设计要求 最高车速/（km/h）133 95 最大爬坡度/% 31 20 0~50 km/h加速时间t/s 9.3 10 等速行驶里程/km191180 CTUDC工况行驶里程/km142130

3 结 论

根据整车基本参数与性能目标参数，采用理论计算的研究方法，主要从动力性和经济性两个方面对纯电动城市物流车动力系统中的电机、主减速器、变速器与动力电池组进行合理的参数匹配。基于仿真软件Cruise搭建整车性能仿真模型，同时完成对其动力性与经济性的仿真分析。通过仿真结果与整车性能目标参数的对比，验证了匹配设计的动力系统完全满足整车的设计要求，为纯电动城市物流车的动力系统匹配设计提供了一套可行的设计流程，为后续整车性能的优化奠定了基础。

[1]宋朋，黄睿. 2014年城市物流车市场现状及未来发展趋势[J]. 专用汽车，2015（3）：48-50.

[2]袁苑，钱立军，许宏云，等. 基于CRUISE中型纯电动客车动力匹配仿真[J]. 农业装备与车辆工程，2012，50（5）：15-18.

[3]余志生. 汽车理论[M]. 北京：机械工业出版社，2009.

[4]刘灵芝，张炳力，汤仁礼. 某型纯电动汽车动力系统参数匹配研究[J]. 合肥工业大学学报（自然科学版），2007，30（5）：591-593.

2017-03-29

1002-4581（2017）04-0022-05

U469.72：TP391.9

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.04.007