张文超　张海波

摘 要：为了更加准确的计算纯电动手动挡汽车的动力性、经济性，利用Cruise软件分类搭建模型，优化手动变速器的换挡车速，通过对计算后的数据对比分析，得到更精确的计算结果。

关键词：纯电动汽车 动力性 经济性

Research on Pure Electric Manual Transmission vehicles of Dynamic Performance and Economy Performance by Cruise

Zhang Wenchao Zhang Haibo

Abstract：In order to calculate more accurately the dynamic performance and economy performance of pure electric manual transmission vehicles， the article used the cruise software classification to build the model and optimize the speed of the manual transmission， and more accurate calculation results were obtained through comparative analysis of the calculated data.

Key words：BEV， dynamic performance， economy performance

1 前言

汽车的动力性与经济性一直是汽车性能研究方向，如何提高汽车的动力性与经济性，降低汽车的能量消耗率，是一个长期不变的话题。我国在“十三五”规化中明确指出纯电动汽车是未来我国汽车发展的方向，在纯电动汽车的研究中，利用多挡变速器挡位的变化，使纯电动汽车电机尽量处于恒定扭矩的高效区工作，同时明显降低电机对高转速的要求，不仅符合电机扭矩与转速特性，而且降低电机的能量消耗率，改善汽车的动力性与经济性，因此，多挡变速器是未来纯电动汽车的发展方向之一。而手动变速器已经在燃油汽车上得到了验证，技术成熟可靠、价格低廉、经济实用，本文所述为基于Cruise软件的纯电动汽车匹配5挡手动变速器仿真计算，通过对手动变速器换挡规律进行优化，得到更加合理的动力性、经济性换挡车速，使得仿真计算的结果更加精确。

2 Cruise模型搭建及计算理论基础

2.1 模型搭建及技术路线：

本次我们研究的是一款纯电动手动挡轿车。该车是将原车型的单档减速器替换为5档手动变速器，并匹配额定功率25kW，最高转速6000rpm的驱动电机。通过离合器实现手动换挡时动力系统与传动系统的柔性结合，从而满足变速器多挡手动的工作状态，以达到车辆的使用要求。基于此原理，利用Cruise软件，在原有单挡减速器纯电动汽车的模型的基础上重新设置电机参数，减少单挡减速器模块，增加5挡手动变速器及离合器模块，同时，修改模型中的cockpit驾驶舱模块中的换挡模式及离合器踏板行程参数，建立纯电动手动挡汽车模型，具体如下：

2.1.1 减少原有动力整车模型中的单档减速器模块，增加5挡手动变速器及离合器模块，输入相关参数（图1-4）;

2.1.2 修改cockpit駕驶舱模块中的换挡模式，改为manual手动模式，增加离合器踏板行程参数（图5、图6）;

2.1.3 修改电机参数，输入25kw电机参数（图7、图8）;

2.1.4 修改因上述增减模块所产生的通讯信号，增加离合器及手动变速器信号连接（图9）;

2.2 计算理论基础：

根据Cruise软件users guide中5.1.5.7.

Resistance Forces介绍的阻力理论基础，结合《汽车理论》可知[1 5]：

汽车的的行驶力平衡方程为：

其中：Ft汽车受到的阻力合力、Ff为滚动阻力、Fi为坡道阻力、Fw为风阻、Fj加速度阻力;

式中：α为坡度（°）、δ为汽车旋转质量换算系数、m整车总质量。

由汽车在路面上行驶的受力分析及汽车滑行的运动工况可知，汽车在平直良好的路面滑行时，若忽略摩擦，则行驶阻力只有滚动阻力Ff，空气阻力Fw，加速度阻力Fj，并且滑行过程中，纯电动汽车处于空档状态，动力总成无有效的输出，故整车的力平衡方程为[3]：

上述公式即为汽车空档滑行状态下的阻力方程，系数Ca、Cb、Cc为别为方程的常数项、一次项、二次项系数。

依据GB 18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》中，附件CC有关道路载荷的试验方法，得到车型的汽车阻力方程各项系数：

由cruise软件的理论基础可知，当选择考参车辆的阻力方程时[5]：

其中：为实际车辆质量、参考车辆质量、为实际车辆的风阻系数、为参考车辆的风阻系数、为参考车辆迎风面积。

故本次整车阻力设置采用：参考车辆阻力函数（driving resistance：function with reference vehicle）如图10、图11[6  7]：

2.3 整车的基本参数：

3 Crusie软件的仿真设置及仿真计算

3.1 仿真分析工况内容：

依据GB/T 18385-2005《电动汽车 动力性能 试验方法》、GB/T 18386-2005《电动汽车   能量消耗续驶里程 试验方法》、GB/T 28382-2012《纯电动车乘用车 技术条件》标准规定：

纯电动汽车的动力性指标主要有：最高车速Vmax、加速时间t、汽车的最大爬坡度imax;

纯电动汽车的经济性指标主要有： 能量消耗率、续驶里程km（NEDC、等速法、WLTC）;

本文研究纯电动手动挡汽车的动力性分析：加速度、0-50km原地起步加速时间和50-80km加速时间三个指标。通过对加速度与加速时间的计算，优化车型的手动换挡规律与车速，使手动换挡更加平顺，车辆加速时动力性更强，计算加速时间更精确。

对其经济性分析时，采用NEDC、等速法进行对比分析。通过对比分析找到最佳经济性换挡规律与换挡车速，获取车型最理想状态下的续驶里程和能量消耗率。

3.2 Cruise软件的计算任务简介：

Cruise软件的task folder任务文件夹中，可增加相关的计算任务，包括：

Cycle run（循环运行）

Climbing performance（爬坡性能）

Constant drive（稳态性能）

Full load acceleration （满负荷加速）

Maximum traction force（最大牵引力）

Cruising（巡航）

Brake/Coast/Thrust/（制动/滑行/反拖）

通过上述计算任务，可满足纯电动汽车的动力性与经济性的各项指标计算。

3.3 仿真计算设置考虑的因素：

利用Cruise软件在计算纯电动汽车的动力性与经济性时，应考虑以下几个因素：

a）动力性计算与动济性计算时，动力总成的输出需求不同，需要根据动力性与经济性分别考虑，为此，我们将模块进行分系统搭建然后组合，分为performance与economy两个模型，根据计算任务选择不同类型的模型（图12、图13）。

b）同时，在电机的properties选项中，将Derated Full Load Characteristics分为打开与关闭，以区别电机在动力性与经济性时的不同输出（图14、图15）。

c）由于更换传统汽车的5档手动变速器和离合器后，在计算动力性时，需要考虑手动变速器的最佳换挡规律， Crusie软件中，自带有标准的换挡车速与驾驶员换挡模式，可从计算任务设置下的driver设置栏找到相关设置，如（图16、图17）[6  7]：

3.4 动力性换挡仿真计算：

3.4.1 确定换挡车速的合理性：

采用上述设置首先建立Full load acceleration （满负荷加速）任务，计算出0-100Km加速度，如图（图18）：

在Cruise软件可编辑图表模版将速度、加速度、当前档位数据导入生成曲线，分析发现，采用标准换挡车速换挡时，软件默认的换挡时间为0.3秒，3挡换4档加速度下降异常，波动较大，换挡不平顺，且与其它档位在换挡点的曲线明显不同，说明采用标准换挡车速换挡在计算本模型的动力性指标0-100km的加速时，不适合本模型要求。如图18：

3.4.2 动力性换挡点的选择原理：

我们在对动力性计算时，动力性换挡规律是指：取同一加速踏板开度下，相邻挡位加速度相等的交点作为换挡点，此换挡点能使汽车具有最大驱动加速度，由此而制定的换挡规律即为本次研究的动力性换挡规律。

式中：un、un+1分别为同一加速踏板开度下n、n+1挡的速度（圖19）。

从此模型电机满负荷曲线可以看出，电机的恒扭矩区近似为3000rpm以下，恒功率区近似为3000-6000rpm。

对于纯电动汽车，驱动电机输出转矩与加速踏板开度和当前驱动电机转速有关，其输出表达式为[2]：

式中，Ta（α，na）为驱动电机输出转矩，α为加速度踏板开度，na为驱动电机输出转速;Tmax为驱动电机输出最大转矩，Pmax为驱动电机峰值功率，上式描述了加速踏板开度、电机输出转速及输出转矩关系。

3.4.3 动力性换挡点的计算：

根据上述理论，将加速踏板开度及各档车速、加速度作为三参数换挡的控制条件，我们的计算任务为电机在最大工况下的动力性，故利用Cruise软件的Full load acceleration （满负荷加速）任务计算换挡点时，加速踏板的开度设为100%定值，各挡加速度-车速曲线的交点为最大驱动加速度交点，即动力性换挡点，如（图20、图21）：

导出加速度、速度曲线数据，用离散的数据点拟合线性方程[3]，求解交点数值，作为变速器各档升挡点车速，再根据传统变速器换挡规律降挡曲线制定方法，采用等距法将升挡曲线左移5km/h，以避免循环换挡，得到降挡点的换挡车速：

将动力性换挡点车速导入计算任务中，通过结果对比分析，如下图，可以看出优化后换挡车速下，3挡到4挡的换挡时间比以前有所减少，且换挡平顺很多（图22、图23）。

从计算结果可以看出，0-50km加速时，优化换挡车速后，加速时间减小0.41s，50-80km加速时，加速时间减小0.19s。在实际的日常驾驶中，驾驶员的习惯操作、离合踏板松开时间，手动换挡时间等对整车的加速度也有一定的影响，本次仿真计算采用了Cruise软件推荐的标准驾驶员参数，只是对换档点的车速进行优化，计算结果可做为驾驶员换档提示数据的输入和整车其它动力性指标计算时的换挡车速输入。

3.5 经济性换挡仿真计算：

3.5.1 经济性换挡点的选择原理：

经济性换挡是指：在车速-电机效率曲线中，在某一加速踏板开度下，将相邻两挡电机效率曲线的交点中，最高的效率曲线交点作为换挡点，此换挡点为电机具有最大效率的车速点，由此而制定的换挡规律即为本次研究的经济性换挡规律。利用已知驱动电机效率特性曲线，通过计算可得到电动汽车车速-电机效率曲线图，从而制定出汽车的经济性换挡规律。采用经济性换挡后，整车主要运行在高挡位，增加了高挡位的运行范围，从而降低了能量消耗。

首先，根据（图24、图25）已知电机效率数据，利用Constant drive（稳态性能）任务，将各挡位的速度，某一速度下加速踏板的开度，电机的效率等参数先期计算出来，如（图26、图27）：

同上述动力性换挡点数据处理一样，导出电机效率、速度曲线数据，用离散的数据点拟合线性方程[3]，求解交点数值，作为变速器各档升挡点车速，再根据传统变速器换挡规律降挡曲线制定方法，采用等距法将升挡曲线左移5km/h，以避免循环换挡，得到降挡点的换挡车速：

3.5.2 经济性换挡点的计算：

将经济性换挡点车速导入NEDC、等速法计算任务中，计算结果对比分析，如（图28、图29、图30、图31）：

从以上图形中可以看出，采用Crusie软件标准换挡车速，此时，等速法车速60km正好是标准换挡规律中3挡与2挡的降挡点，软件计算的加速度数据此时近似为零（-1.2e-16m/s^2），此时由于软件在仿真计算时有频繁换挡趋势，导致加速度频繁有小的波动，从而影响了等速法的的续驶里程，而采用优化后的经济性换挡车速，加速度曲线平顺，等速法续驶里程增加11.55km。

将经济性换挡点车速的计算结果可做为驾驶员手动换挡提示的数据输入，从而增加整车在实际驾驶时的续驶里程。

4 结束语

利用Cruise软件计算动力性与经济性时，对不同的工况下的计算任务分类计算，对手动换挡点的分别优化，使得仿真计算的结果更加合理精确，通过前期的动力性、经济性仿真计算，将优化后的换挡车速作为整车在路试或测功机上试验时的标准换挡车速，能使试验车辆换挡更加平顺，路试结果更为合理，更能体现实验车辆的实际动力性与经济性。

参考文献：

[1]余志生.汽车理论.5版[M]北京：机械工业出版社，2009：18-19;

[2]王盘，鲁统利，巫少方，林连华，徐海港.微型纯电动货车两挡AMT换挡规律研究[J].传动技术：2017-31（4）.

[3]陈春梅.滑行法确定底盘测功机加载数值研究[D] 长安大学：陕西西安，2009;15-16.

[4]陈巍.利用MATLAB曲线拟合工具箱求离散点的拟合曲线[J]. 中国科技论文在线，2010.

[5]AVL CRUISE＼v2015＼CRUISE_UsersGuide＼index.html[CP]：5.1.5.7.

[6]AVL Cruise基础培训教程 [D] 李斯特技术中心（上海）有限公司.

[7]AVL cruise &matlab聯合仿真 [D] 李斯特技术中心（上海）有限公司.