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03


基于 AVL Cruise 的纯电动客车动力系统匹配与优化
王瑞敏

(上汽商用车技术中心上海市军工路 2500 号, 200438) 摘 要:纯电动车作为新能源车的一个重要解决方案,得到了快速发展。本文根据整车

动力性参数对动力系统进行了选型,并利用先进的整车模拟软件 Cruise 进行了仿真验 证。首先利用 Cruise 搭

建了一个纯电动车模型,并利用原车数据进行了标定。在此基 础上进行了整车动力性能仿真计算, 仿真结果表明该纯电动车选型的动力性能能够达到 预期的目标,为纯电动车的前期开发节约了时间和成本。 关键词: Cruise 模型仿真 模型标定 车辆动力性 主要软件:AVL Cruise

1. 前言
随着石油的日渐稀缺, 燃油价格的日益上涨和排放法规的日趋严格, 新能源车得到了轰 轰烈烈的发展。 纯电动汽车作为新能源汽车的一个重要解决方案, 已经越来越受到国内外各 大整车企业及相关研究机构的重视。纯电动车中商用车相对于乘用车而言,从充电站,性能 要求到维修、保养都有着独特的优势。 在开发一款新车的初期, 必须进行整车动力性与经济性的一维计算, 以把握车辆大致的 动力性能和经济性能, 并据此确定新车的设计目标和产品定位, 确保整个设计开发的合理性。 在纯电动汽车开发前期对整车性能的精确预测可以缩短开发周期,节省成本。AVL_Cruise 是一款先进的整车性能仿真分析软件,目前在国内的主要汽车公司得到了广泛的应用。

2.车辆动力性定义
车辆动力性是衡量汽车性能的一项重要指标, 确定汽车的动力性, 就是要确定汽车沿行 驶方向的运动规律[1]。汽车的动力性主要可由三个方面的指标来评价[1]: 1) 汽车的最高车速

umax , km / h ;

无风条件下,汽车在平坦路面上行驶,行驶阻力与驱动力想平衡时达到的稳定车速称为 最高车速,其计算公式为:

u max = 21.15( Ft ? fG ) / C D A
2) 汽车的加速时间 t, s ;

(1)

汽车加速性能主要分为原地起步加速性能和超车加速性能。 原地起步加速性能是指汽车 由抵挡起步并以最大加速度逐步换至高档后到达某一预定距离或车速所需的时间。 超车加速 性能是指汽车用最高档或次高档从某一中间车速全力加速到某一高速时所需要的时间。 本文 所指的加速时间,是指原地起步加速到 50 km / h 所用的时间。其计算公式为:

t = ∫ dt =
0

t

50

1 ∫ a du = 0

50

∫ a ? δm [ F
0

1

1

t

? ( F f + Fw )]
(2)

3) 汽车的最大爬坡度

imax 。

汽车的爬坡能力是指汽车满载在良好路面上等速行驶的最大爬坡度,一般用最大爬坡角 的正切值的百分数来表示。其计算公式为:

i = tgα = tg (arcsin

Ft ? ( F f + Fw ) G

)
(3)

2.1 ENHD 模块 ENHD 模块考虑由于不对中造成的力和力矩的影响,但简化了不对中(倾斜)模型。

图1 考虑轴颈不对中的影响

3 车辆参数和性能指标
3.1 车辆结构参数 原车行驶参数如表 1 所示,变速箱参数如表 2 所示。

表 1 原车行驶参数 整备质 量 m0 (kg) 11800 满载质 量 m1 (kg) 17500 迎风 面积 A 2 (m ) 7.5 风阻 系数 CD 0.65 轴距 L (mm) 5800 车轮 滚动半径 r (m) 0.5 后桥 速比 滚动阻 力系数 f 0.02

6.3

3.2 车辆动力性能指标参数 车辆动力性能指标参数如表 2 所示[2]。

表 2 基本动力性要求
最高车速

U a _ max (km/h)
≥80

最大爬坡 度 imax (%) ≥18

0~50 km/h 加 速时间 t (s) ≤25

续驶里程 (km) 100

4 主驱电机的选型
电动车对电机的比功率要求较高, 在相同的额定功率下, 永磁交流同步电机的质量最小, 所以本车使用永磁同步电机。 电机的最高转速根据最高车速来选型, 扭矩根据爬坡度来选型, 功率根据 0-50km/h 加速时间来选型。 4.1 根据最高车速确定电机转速 电动机的最高转速不但影响纯电动车辆传动系的尺寸,而且影响电动机的扭矩,根据电动 机转速与扭矩的关系以及相应的支撑条件,可得:

N e max ≥
其中:

vmax i0 0.377 r N e max

(4)

-电机最大转速;

vmax -车辆最高车速;
r -车轮半径;

i0 -后桥速比 ;
4.2 根据爬坡度确定电机扭矩 因为纯电动汽车完全由电动机驱动,要求电动机必须能够为车辆提供充足的加速功率和 爬坡扭矩, 因此电动机扭矩参数要根据车辆爬坡性能确定, 车辆在一定速度下能够爬上坡度 的大小反映了车辆的爬坡性能。车辆的起步爬坡计算公式为

Ttm =

mgf cos(a tan( grade / 100)) + mg sin( a tan( grade / 100))r i0 i gη gcη mc
grade -爬坡度;
-发电转换效率;

(5)

T 其中: tm -电机最大扭矩需求;

η gc

η mc -电动机效率;

4.3 根据 0-50km/h 加速时间确定电机功率 车辆在平直路面上的加速时间 t 是反映车辆动力性的重要指标,依据公式

Pmax

? mv C Av 2 ? + mgf + d ? 3.6t 21.15 =? 3.6 * mu

? ?v ? ?

(6)

其中:

Pmax -主电机最大需求功率;
v -加速最终速度; mu -传动效率;

t -加速时间;
4.4 待选电机 根据以上原则和车辆参数需求,并进行了各厂家考察,初步选择以下几款电机。
表 3 待选电机 电 机 厂家 襄 樊 特种电机 异 步 交流 类型 功 率 (kw) 额定: 100 最大: 200 转 速 (rpm) 额定: 1500 最高: 3600 额定: 2000 最高: 5500 额定: 2000 最高: 6000 扭 矩 (Nm) 额定: 800 最 大 : 1800 额定: 850 最 大 : 1600 额定: 650 最 大 : 1700 500AC 2 电 压 (V) 383 AC 传动比 1.44/2.88

株 洲 时代 交流

异 步

额定: 100 最大: 150

250AC

1.57/2.44/4.43

大 洋 电机 交流

异 步

额定: 135 最大: 185

5 动力电池的选型 目前纯电动客车应用的动力电池种类繁多, 性能各异。 结合市场调研相关资料以及电动 客车运行工况和性能要求, 选择锂离子电池作为本车的动力电池。 锂离子电池采用锂碳化合 物作负极,锂化过渡金属氧化物作正极,液体有机溶液或固体聚合物作为电解液,具有高的 电池单体电压、高的比能量和能量密度,且工作稳定。 为了保护电池, 应该对锂离子电池采用浅充浅放的原则。 充满电按照 SOC 的 100%计算, 最大放电程度按照 SOC 剩余 20%计算,续驶里程以 100 km 计算。 经过筛选和考察,进入初选名单的有以下几家电池:
表 4 待选电池 电池厂家 万向 盟固利 新普 电 类型 磷 铁锂 锰 铁锂 磷 铁锂 池 酸 酸 酸 单体额定电压 (V) 3.2 3.8 3.2 单体额定容量 (Ah) 15 90 16.5 可装配电池容量 (kwh) 125 135 130

6 仿真计算 6.1 AVL Cruise 介绍 AVL 是一家在世界汽车、发动机行业拥有极高知名度的高科技公司。AVL Cruise 软件

是用于仿真研究车辆动力性、燃油经济性、排放性能与制动性能的高级仿真分析软件。该软 件可以用于车辆开发过程中的动力传动系的匹配、 车辆性能预测, 还能够对混合动力车和电 动汽车进行建模仿真和性能模拟[3]。AVL Cruise 软件界友好,不但提供了与发动机性能分 析软件(AVL Boost)有很好的耦合计算性能,还提供了与 Matlab、C、Fortran 等通用编程 软件的接口, 为用户建立自定义模块及控制元件的模型提供了方便, 并扩展了软件的应用范 围[4]。 6.2 车辆模型的建立 根据某城市的纯电动公共汽车整车和个总成部件参数,基于 CRUISE 平台,建立了如 图 1 所示的纯电动车模型。 该模型主要包括车轮模型、 差分器模型、 变速箱模型、 电机模型、 电池模型和驾驶员模型[5]。

图 1 城市纯电动车整车模型
6.3 信号的连接 模块之间的机械连接完成之后,还要建立模块之间的信号连接,如图 2 所示。

图 2 模型信号连接

6.4 模型参数的设置 模型的机械连接和信号连接都完成之后, 模型中各模块的各参数需要设置。 有些参数需 要从外部输入,有些可以直接从 Cruise 自带的原模型中导入。如图 3 为驱动电机参数的设 置。对于能得到的各零部件参数,都采用了真实的输入。对于不能得到的各零部件参数,采 用的默认值和经验值。

图 3 模型参数输入
6.5 模型的标定 由于各种原因,我们不可能得到所有建立 CRUISE 精确模型所需的整车和零部件参数。 为了使模型精确,我们必须利用手里掌握的资料对模型进行标定。在本项目中,我们利用原 车的参数和试验数据来进行标定。 将原车的参数带入模型中, 将仿真结果与试验结果进行对 比分析, 根据误差来调整模型中不能准确得到的参数, 直到仿真结果和试验结果的误差在设 定的范围内,标定完成。

7 仿真结果及分析 完成模型的搭建和标定后,对模型进行初步的检查,目的是看是否存在模块定义、信息 连接以及数据输入等问题。然后就可以运行模型进行任务计算。本文选择 single calculation 的计算方式。计算完成之后可以在 Result Manager 中提取计算结果,并进行相应的分析。

表 5 整车动力性能仿真结果 计算结果 电机电池 万 向 电机 株洲时代 大洋电机 新 普 电机 株洲时代 大洋电机 盟 固利 电机 株洲时代 大洋电机 15.2 16.7 83 91 20 21 111 120 襄樊特种 15.8 17.1 12.5 83 91 82 20 21 27 113 120 110 襄樊特种 13.5 14.3 14.1 83 91 82 20 21 27 118 123 115 襄樊特种 0-50km/h 加速 时间(s) 12.61 最高车速 (km/h) 82 最大爬坡 度(%) 27 120 续驶里程

基于以上计算结果和商务运作的便利性, 本项目选择了襄樊电机和万向电池组合。 整车动力性完全能满足整车要求。

8. 结语 基于 Cruise 的整车动力性能仿真计算结果表明,该纯电动车辆的选型符合车辆性能要 求。该 Cruise 车辆模型更够跟踪预先设定的循环路况,该纯电动车整车动力性能能够达到 预期的目标。利用 Cruise 软件可以缩短研发周期,节约研发成本,减少设计的盲目性。仿 真结果为实车试制阶段的工作提供了重要的参考价值和指导意义。

参考文献
[1] 余志生,王仲范,王望予 汽车工程手册-基础篇[M] [2] GB/T18386-2005《电动汽车 能量消耗率和续驶里程试验方法》 [3] AVL Cruise userguide [4] 赵海峰,基于 Cruise 软件的 AMT 车辆性能仿真分析与实验研究[D],重庆大学,2005 [5] 杨超,电动车动力学建模与仿真研究[D],武汉理工大学,2007


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