景区摆渡车动力系统参数匹配与仿真

宋金龙

摘要：本文以某款电动汽车为参考模型，以景区摆渡车的特殊运行工况为设计依据，对其动力系统进行参数匹配，使用AVL CRUISE整车仿真软件搭建摆渡车模型并进行仿真分析。结果表明，动力系统参数匹配合理有效。

关键词：景区摆渡车；参数匹配；仿真分析

1 引言

中国是旅游大国，并且景观资源非常丰富。据统计数字显示，截至2019年，中国境内5A级景区有259个，4A级景区有3 034个，总的景区景点已经超过3万个[1]。在中国旅游景区中红色主题旅游景区有300个，国家级旅游度假区26个，达到旅游休闲水准的城市多达10个，国家生态旅游示范地区达到110个[2-3]。根据中国旅游研究院公示的《2019年中国旅游市场基本情况》指出，国内2019年旅游人次达60.06亿，以8.4 %的增速增长[4]。

国内广阔的旅游市场，促使相应的配套设施的发展，景区摆渡车就是一个非常重要的将游客从景区门口带到景点的环节，现阶段较大的景区都配备有景区摆渡车。得益于我国汽车工业的自主创新力度不断加大和应用市场的拓展，很多大型汽车制造厂商开始涉足景区用摆渡车，这进一步规范了景区摆渡车的标准。由于很多景区以自然资源为主，甚至景区生态环境非常的脆弱，环境较为特殊，因此对于环保的要求较高，新能源汽车是景区摆渡车的首选。随着全世界范围内的环境污染问题和能源不足危机加重，各个国家、汽车企业以及高校对新能源汽车的开发与研究高度重视，促使新能源汽车技术得到快速发展，从而使新能源景区摆渡车的发展成为可能[5-7]。

本文以某款纯电动汽车为参考车型，以景区摆渡车的特殊运行工况为设计条件，对景区摆渡车的动力系统进行参数匹配计算，并通过整车仿真软件搭建的整车仿真模型进行整车性能的仿真验证。

2 动力系统参数匹配计算

本文选取的参考车型的整备质量为1 260 kg，设计载客量为10人，满载质量m为2 460 kg，风阻系数CD为0.6，滚动阻力系数f为0.014，迎风面积A为2.9 m2，主减速器传动比i0为7.58，滚动半径r为0.254 m。由于景区摆渡车属于特种用车，对最高车速的要求比较低，但是对爬坡度以及加速性能要求比较高，因此本文设计的景区摆渡车的整车设计指标如表所示。

2.1 驅动电机参数匹配

驱动电机是景区摆渡车的唯一动力源，并且其转速范围较宽，因此本车型没有设计变速箱只有主减速器，即驱动电机直接与驱动桥相连经主减速器后将动力传递给驱动轮驱动整车行驶，所以在对驱动电机进行参数匹配时，需要在较宽的转速和转矩范围内都具备较好的输出特性。以保证满载时整车的起步、爬坡和加速性能。除此之外，新能源汽车的另一个特性就是能量回收，因此选取的驱动电机还必须能够反转，从而保证整车减速过程中可以拖动驱动电机进行能量回收。

驱动电机是景区摆渡车的重要组成部分，也是景区摆渡车研究的关键，现在常用的驱动电机可以分为两类：同步电动机和异步电机。异步驱动电机的成本低，可靠性高，但是控制比较困难，无法快速达到预期目标。矢量控制原理被用于解决异步驱动电机的控制问题[8]，但是成效不大。永磁铁同步电机相比于励磁绕组同步电机结构更简单，价格低廉，不需要电刷、集电环以及励磁绕组[9]。但是输出效率相对较低。本文研究的是景区摆渡车，其主要运行特点是车速较低，爬坡度比较大，启停频繁以及负载高等，即景区摆渡车对驱动电机的主要需求是低转速高转矩，因此本文选取的是直流永磁同步驱动电机，该电机具有较大的启动转矩，低速特性非常好，过载能力强，转速稳定，调整性能好，并且具有较小的体积和体重。

带入电池输出能量可计算得动力电池的总的电池组容量为543 Ah。动力电池的电池容量除需要满足续驶离程外，还要满足短时大功率放电需求，以满足整车动力性要求，经cruise仿真验证得并联电池组数为10组。

2.3 整车模型搭建

目前，国内外车辆系统动力学仿真软件主要有AVL Cruise、Carsim、Advisor及Adams等，其功能侧重点各不相同[11]。CRUISE软件是奥地利AVL公司开发的一款基于模块化建模的整车仿真软件，可以用来研究车辆动力性、燃油经济性、排放性能及制动性能的高级模拟分析软件。本节应用CRUISE软件进行整车模型的搭建。

整车模型如图2所示，其各功能块主要包括：整车模块（Electric Hybrid Vehicle），轮胎模块（Vehicle），制动器模块（Disc Brake），电器系统模块（Electrical System），动力电池模块（NiMH），防滑模块（ASC），差速器模块（Differential），传动模块（Final Drive），驱动电机模块（eDrive）模块等。模块之间除需要进行力矩与电的传递外，还需要进行信号传递，从而保证各个模块能够进行协同工作。如图2所示，蓝色线实现了机械力矩的传递，红色线实现了电流的传递，信号传递图中不可见。

3 仿真结果分析

3.1 经济性仿真结果

基于cruise搭建的整车模型，且由于景区摆渡车的最高车速相对较低、启停频繁与FTP75运行工况相似，因此选取FTP75运行工况进行整车经济性仿真验证。仿真过程中初始电荷量为90%，为了保证电池寿命不受影响，当电池电荷量达到20%时，停止仿真。在FTP75循环工况下仿真结果如图3所示，由图3可知续驶里程为56.6 km，满足经济性设计要求。

3.2 动力性仿真结果

景区摆渡车的动力性仿真结果如图4、图5所示，其分别表示为爬坡度仿真结果和加速性能仿真结果。由图4可知，在车速为30 km/h的最大爬坡度大于40%，由图5可知0到50 km/h的加速时间为4.75 s，且在图5中可看出此款摆渡车的最高车速达到了100 km/h。

综上所述，景区摆渡车的动力性仿真结果满足整车设计要求。

4 结语

以某款纯电动汽车作为景区摆渡车的设计参考车型，对其驱动电机与动力电池进行参数匹配。通过cruise仿真软件搭建整车仿真模型，对整车的动力性和经济性进行了计算分析，仿真结果表明，整车的动力性和经济性仿真结果都满足其设计指标，参数匹配比较合理，其匹配计算过程对摆渡车的设计具有指导意义。

参考文献

[1] 邓纯纯， 吴晋峰， 吴珊珊， et al. 中国A级景区等级结构和空间分布特征[J]. 陕西师范大学学报（自然科学版）， 2020， 48（01）： 70-79.

[2] 段七零， 薛美云. 中国5A级景区系统空间结构的聚集分形演变研究[J]. 安徽师范大学学报（自然科学版）， 2019， 42（04）： 381-386.

[3] 李会琴， 李丹， 董晓晴， et al. 中国5A级景区分布及网络关注度空间格局研究[J]. 干旱区资源与环境， 2019， 33（10）： 178-184.

[4] 中国旅游研究院发布《2019年旅游市场基本情况》[J].空运商务， 2020，（03）： 9.

[5] Engineering - Naval Architecture and Shipbuilding； Researchers at ChosunUniversity Report New Data on Naval Architecture and Shipbuilding （Vehicle Securing Safety Assessments of a Korean Coastal Car Ferry According To Acceleration Prediction Approaches）[J]. NewsRx， 2019.

[6] 杨芊芊， 梁庄. 浅析遗产型景区详细规划的策略与方法——以麦积山景区详细规划为例[J]. 建筑与文化， 2019， （07）： 73-74.

[7] 陳昊宇. 长白山景区旅游导向系统设计研究[D]. 吉林建筑大学， 2019.

[8] Novotny D W， Lipo T A. Vector Control and Dynamics of AC Drive[J]. 特色文献库， 1996.

[9] Hanselman D C. Brushless permanent-magnet motor design[J]. McGraw-Hill， 2003.

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[11] 窦国伟， 马涛峰， 马先萌. 基于模糊控制算法的增程式电动车能量分配策略[J]. 上海汽车， 2012（3）：10-14.