摘要：純電動(dòng)商用車的動(dòng)力系統(tǒng)匹配是產(chǎn)品開發(fā)過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。以一款在研純電動(dòng)商用物流車為原型，根據(jù)整車參數(shù)和性能要求，首先從汽車?yán)碚摲矫鎸?duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算與分析；再利用AVL CRUISE軟件搭建該車輛的仿真模型，對(duì)整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該動(dòng)力系統(tǒng)的合理性和可行性；最后在轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)架上驗(yàn)證車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，達(dá)成項(xiàng)目開發(fā)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)商用車；動(dòng)力系統(tǒng)；仿真分析；轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)；動(dòng)力性；經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號(hào)：U462.3 收稿日期：2024-01-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.004

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，碳排放帶來的負(fù)面影響越來越顯著。我國積極響應(yīng)國際社會(huì)的號(hào)召，在2020年提出了“2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)[1]。純電動(dòng)商用車作為一種新興的環(huán)保型交通工具備受社會(huì)關(guān)注，作為純電動(dòng)商用車的重要部件，動(dòng)力系統(tǒng)匹配是否合理直接影響著整車性能的好壞[2]。車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性是綜合評(píng)估汽車性能指標(biāo)的重要參數(shù)，通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)整車建模并進(jìn)行仿真分析，可以找到合適的設(shè)計(jì)方案，并為其設(shè)計(jì)和開發(fā)提供基礎(chǔ)[3]，有效縮短車輛開發(fā)周期，而且節(jié)約了研發(fā)成本，其仿真結(jié)果也可以為實(shí)車試驗(yàn)提供重要的參考依據(jù)[4]。

2 車輛動(dòng)力系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)方法

本文主要目標(biāo)是為純電動(dòng)商用物流車開發(fā)一套成熟、穩(wěn)定的動(dòng)力系統(tǒng)，有充足的動(dòng)力輸出又能兼顧優(yōu)秀的能耗經(jīng)濟(jì)性，保證車輛的出勤率，降低客戶使用成本。目前常用的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有以下幾種：

a.汽車?yán)碚撛O(shè)計(jì)法：運(yùn)用所學(xué)的汽車?yán)碚搶I(yè)知識(shí)，對(duì)受力平衡方程及驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力等車輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算和評(píng)價(jià)。

b.道路模擬法：根據(jù)用戶車輛應(yīng)用場(chǎng)景及整車性能目標(biāo)定義，采集道路載荷路譜，然后對(duì)載荷路譜進(jìn)行編輯，運(yùn)用于轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)架上，對(duì)整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止。

c.先進(jìn)軟件仿真分析法：是指采用計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)，對(duì)整車進(jìn)行建模，將車輛各零部件參數(shù)輸入軟件模型中，再按照軟件的要求進(jìn)行仿真計(jì)算，將結(jié)果與目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，如果沒有達(dá)到目標(biāo)要求，可進(jìn)一步對(duì)各零部件參數(shù)進(jìn)行重置以WdSynKTi2qt7R24GEpD86A==及對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化，直到滿足車輛要求為止。目前常用的仿真軟件有AVL CRUISE、IPG-CARMAKER等，本文將采用AVL CRUISE軟件進(jìn)行仿真分析。

本文將根據(jù)一款在研純電動(dòng)商用物流車定義的整車參數(shù)和性能要求，利用汽車?yán)碚撛O(shè)計(jì)法、先進(jìn)軟件仿真分析法及轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)架來設(shè)計(jì)和驗(yàn)證這套動(dòng)力系統(tǒng)，達(dá)成本項(xiàng)目開發(fā)目標(biāo)，降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

3 車輛動(dòng)力系統(tǒng)零部件參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 純電動(dòng)商用車整體結(jié)構(gòu)方案

本文所描述的純電動(dòng)商用車總體結(jié)構(gòu)布置如圖1、圖2所示。該車型布置與傳統(tǒng)商用車布置幾乎一樣，將傳統(tǒng)商用車的發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油箱等部件用動(dòng)力電池和電機(jī)電控代替，在VCU的控制下使車輛按駕駛員的意圖運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力系統(tǒng)方案如圖3所示。

3.2 車輛的基本參數(shù)和動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性要求

本文所定義的車輛基本參數(shù)和動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性要求如表1所示。

3.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配分析

3.3.1 傳動(dòng)比的匹配

a.最大傳動(dòng)比的匹配。

對(duì)于具有多擋變速箱的車輛來說，傳動(dòng)系的最大傳動(dòng)比imax即變速箱1擋速比ig1與主減速比i0的乘積，最大傳動(dòng)比應(yīng)滿足車輛最大爬坡度要求，同時(shí)還應(yīng)該滿足附著要求不發(fā)生打滑[5]，即：

式中，ig1為變速箱1擋速比；αmax為最大爬坡度；Te為額定扭矩；i0為主減速比。

b.最小傳動(dòng)比的匹配。

最小傳動(dòng)比imin應(yīng)該滿足車輛最高行駛車速的要求，變速箱擋位為最高擋，此時(shí)imin為最高擋速比與主減速比的乘積[5]，即：

式中，imin為最小傳動(dòng)比；nmax為電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速。

本文中車輛的主減速比是確定的，故只要確定變速箱的速比即可。據(jù)調(diào)研了解，市場(chǎng)上4.5 t左右的純電動(dòng)商用車變速箱大多數(shù)用的是兩擋箱。根據(jù)計(jì)算，考慮變速箱結(jié)構(gòu)、成本、產(chǎn)品成熟度等因素，選用行業(yè)成熟的2擋箱，速比為：一擋為2.85，二擋為1。

3.3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率和峰值功率是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中2個(gè)重要的參數(shù)。一般來說，電動(dòng)汽車的額定輸出功率為持續(xù)輸出功率的最大值，對(duì)應(yīng)的工況為汽車在平直路面持續(xù)勻速時(shí)對(duì)應(yīng)的功率，此時(shí)汽車需克服滾動(dòng)阻力及空氣阻力，爬坡阻力和加速阻力不計(jì)。

以最高車速120 km/h確定電機(jī)額定功率如下：

式中，PN為電機(jī)額定功率。

以最大爬坡度確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。以20 km/h的車速滿載4 495 kg爬30%坡度所需電機(jī)峰值功率來計(jì)算，30%坡度轉(zhuǎn)化為角度為α=16.7°?公示如下：

式中，Pm1為峰值功率；α為坡度角，α=arctan i；vα為爬坡車速。

以加速時(shí)間確定電機(jī)的功率如下：

式中，Pm2為峰值功率；t為加速時(shí)間；x為擬合系數(shù)，一般取0.5；vt為汽車加速末速度。

通過式（3）～式（5）的計(jì)算可得：PN=47.22 kW，Pm1=79.89 kW，Pm2 =109.67 kW，則Pm≥max（Pm1，Pm2），所以綜合考慮選定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率為55 kW，峰值功率為110 kW。

3.3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算

以最高車速120 km/h確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，以經(jīng)濟(jì)車速50 km/h確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，公式如下：

式中，nm為驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速；nN為驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速；vN為經(jīng)濟(jì)車速；ig為變速箱最高擋速比；i0為主減速比。

通過式（6）～式（7）計(jì)算可得：額定轉(zhuǎn)速nN=2 176 r/min，峰值轉(zhuǎn)速nm=5 658 r/min。

3.3.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩計(jì)算

根據(jù)功率、轉(zhuǎn)速、扭矩的關(guān)系，通過額定轉(zhuǎn)速和額定功率計(jì)算出額定扭矩：

式中，Pe為額定功率；ne為額定轉(zhuǎn)速。

以20 km/h的車速滿載（4 495 kg）爬30%坡度并結(jié)合車輛的傳動(dòng)比來計(jì)算電機(jī)所需的峰值扭矩：

式中，Tmax為峰值扭矩；v為爬坡車速。

通過式（8）和式（9）的計(jì)算可得：Te=220 N·m，Tmax=307.5 N·m。

經(jīng)過上述計(jì)算，選取某款成熟永磁同步電機(jī)和2擋變速箱做為車輛的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該電機(jī)和變速箱的參數(shù)如表2所示。

3.4 動(dòng)力電池系統(tǒng)參數(shù)匹配

動(dòng)力電池系統(tǒng)是純電動(dòng)汽車的唯一動(dòng)力源，應(yīng)該選用能量密度高、安全好、壽命長(zhǎng)的電芯，磷酸鐵鋰電池是當(dāng)前不錯(cuò)的選擇。

在對(duì)該車輛動(dòng)力電池進(jìn)行參數(shù)匹配設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)整車的性能要求及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓平臺(tái)來確定動(dòng)力電池的參數(shù)。通過上述可知，選型電機(jī)的電壓平臺(tái)為510 V，40 km/h等速續(xù)駛里程不低于360 km，為滿足以上要求，車輛的動(dòng)力電池容量計(jì)算如下所示：

式中，We為動(dòng)力電池總?cè)萘浚籗為電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程；ve為車輛行駛車速，取值為40 km/h；ηe為動(dòng)力電池放電效率，取值為0.9。

車輛滿載時(shí)以40 km/h等速行駛時(shí)電機(jī)所需要的功率代入式（3）計(jì)算可知，Pe=8.8 kW。

車輛所需動(dòng)力電池總?cè)萘看胧剑?0）計(jì)算可知，We=86.08 kW·h。

為保證動(dòng)力電池的使用壽命，將放電深度定為0.8，即充電完成時(shí)電池的SOC上限為100%，放電至電池SOC的下限為20%，SOC低于20%時(shí)整車做限功保護(hù)，提示盡快充電。

基于上述計(jì)算分析，這款動(dòng)力電池系統(tǒng)選擇某知名廠家的成熟產(chǎn)品，動(dòng)力電池參數(shù)如表3所示。

4 純電動(dòng)商用車整車建模、仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 概述

CRUISE軟件是AVL公司開發(fā)的一款整車及動(dòng)力總成仿真分析軟件。它可以研究整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能及制動(dòng)性能等，是車輛系統(tǒng)的集成開發(fā)平臺(tái)。AVL CRUISE軟件內(nèi)置了很多基于車輛工程應(yīng)用的計(jì)算任務(wù)，主要有循環(huán)工況任務(wù)、最大爬坡度計(jì)算任務(wù)、穩(wěn)態(tài)行駛性能任務(wù)、全負(fù)荷加速性能任務(wù)、最大牽引力計(jì)算任務(wù)、巡航工況任務(wù)及制動(dòng)/滑行/反拖任務(wù)等。AVL CRUISE軟件已經(jīng)成功地在整車生產(chǎn)商和零部件供應(yīng)商之間搭建起了溝通的橋梁。該軟件與其他仿真工具相比，具有以下特點(diǎn)：模塊化的建模方式、多種計(jì)算任務(wù)、大量的電氣部件、控制策略編寫功能等。

4.2 整車仿真模型建立

根據(jù)車輛的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力系統(tǒng)方案，在軟件窗口中添加各零部件模型，并對(duì)各模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，建立CRUISE整車仿真模型，包括整車模型、動(dòng)力電池模型、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型、變速箱模型、離合器模型、輪胎模型、制動(dòng)器模型、主減速器模型、差速器模型、駕駛室模型、監(jiān)視器模型、控制器模型等，各模型之間通過電氣、機(jī)械和信號(hào)線進(jìn)行連接，如圖4所示。

4.3 仿真任務(wù)設(shè)定

根據(jù)整車性能要求設(shè)置仿真任務(wù)，主要包括最高車速、爬坡度、加速性能及續(xù)駛里程等。仿真分析依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T 18385—2005[6]、GB/T 18386—2017[7]。

4.4 仿真結(jié)果分析

4.4.1 動(dòng)力性仿真結(jié)果分析

a.最大爬坡度：車輛的最大爬坡度是衡量汽車的一項(xiàng)重要指標(biāo)，由圖5可知，該車在20 km/h車速、滿載4 495 kg下的最大爬坡度為31.52%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

e.0～100 km/h連續(xù)加速時(shí)間：由圖9可知，車輛0～100 km/h加速時(shí)間為24.17 s，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4.4.2 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果分析

a.40 km/h工況等速續(xù)駛里程：圖10為40 km/h等速循環(huán)工況曲線圖，由圖11可知40 km/h工況等速續(xù)駛里程為368 km，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

b.C-WTVC工況續(xù)駛里程：圖12為C-WTVC循環(huán)工況曲線圖，由圖13可知C-WTVC工況等速續(xù)駛里程為291 km，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4.4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

a.測(cè)試準(zhǔn)備及標(biāo)準(zhǔn)。

隨機(jī)選取一臺(tái)樣車，在公司試驗(yàn)檢測(cè)中心轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)架上測(cè)試車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，按照GB/T 18385—2005《電動(dòng)汽車 動(dòng)力性能 試驗(yàn)方法》、GB/T 18386—2017《電動(dòng)汽車 能量消耗率和續(xù)駛里程 試驗(yàn)方法》測(cè)試最高車速、爬坡度、加速性能及續(xù)駛里程等參數(shù)，試驗(yàn)環(huán)境如圖14所示。

b.測(cè)試結(jié)果。

試驗(yàn)中心轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

4.5 測(cè)試結(jié)果、仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)比

針對(duì)擬開發(fā)車輛的實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)、CRUISE仿真結(jié)果與開發(fā)前的設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)比分析，結(jié)果如表5所示。經(jīng)過理論計(jì)算匹配的動(dòng)力系統(tǒng)滿足整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性要求。車輛試驗(yàn)完成后，整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析仿真數(shù)據(jù)和理論計(jì)算結(jié)果，對(duì)仿真模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

5 結(jié)語

本文基于某款純電動(dòng)商用物流車的整車基本參數(shù)和性能要求，運(yùn)用汽車?yán)碚撛O(shè)計(jì)法，對(duì)整車傳動(dòng)比的匹配、驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)及動(dòng)力電池系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算，對(duì)車輛的傳動(dòng)比、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速箱和動(dòng)力電池等重要零部件進(jìn)行了選型。然后，再運(yùn)用AVL CRUISE軟件搭建整車仿真模型，對(duì)車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真分析的結(jié)果，驗(yàn)證了理論計(jì)算的合理性和可行性，降低了產(chǎn)品在開發(fā)初期的盲目性。同時(shí)，在樣車下線調(diào)試完成后對(duì)車輛進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與仿真結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果相比，雖然有一定偏差，但均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。后續(xù)將根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化理論計(jì)算方法、調(diào)整仿真模型參數(shù)設(shè)置，使理論計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果更接近于實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果。

本文論述的內(nèi)容是一種較為實(shí)用的動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)方法，對(duì)純電動(dòng)車輛的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義。

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[7]電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法 GB/T 18386—2017[S].

作者簡(jiǎn)介：

曾海軍，男，1981年生，工程師，研究方向?yàn)榧冸妱?dòng)商用車底盤研發(fā)與項(xiàng)目管理。