纯电动商用车动力系统选型及其基于Cruise的动力性经济性仿真

孙国庆 叶硼林 余翔宇 丁远涛

摘 要：纯电动商用车动力系统选型是纯电动商用车开发过程中的重中之重;纯电动商用车动力性经济性仿真在纯电动商用车性能开发过程中具有重要指导作用。论文根据某型纯电动商用车总体设计指标，采用理论公式计算初步选定动力系统参数，然后利用Cruise软件进行整车动力性经济性仿真。仿真结果验证了该车型动力匹配的合理性。论文对纯电动商用车动力匹配技术研究具有一定的指导作用。

关键词：EV;纯电动商用车;动力匹配;Cruise;动力性经济性

中图分类号：U462.3  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）05-11-05

Abstract： The Selection of Power System of Pure Electric Commercial Vehicle is of paramount importance of the performance development of Pure Electric Commercial Vehicle; The Dynamic Economy Simulation of Pure Electric Commercial Vehicle plays an important role in the performance development process of Pure Electric Commercial Vehicle. According to a certain type of Pure Electric Commercial Vehicle overall design index， used the method of theoretical calculation formula， initially selected powertrain parameters of Pure Electric Commercial Vehicle ， and then the simulation of dynamic nature and economical efficiency with the Cruise software was done. The calculation result of the dynamic nature and economical efficiency verified the rationality of the model of dynamic match. The paper has a certain guiding role on the development of the power matching technology of Pure Electric Commercial Vehicle.

Keywords： EV; Pure Electric Commercial Vehicle; Power system; Cruise; Dynamic nature and economical efficiency

前言

随着《GB 30510-2018 重型商用车辆燃料消耗量限值》（第三阶段）的实施，及对国家《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》的趋势分析，重型商用车第四阶段油耗限值也将提上日程。对此，商用车企业面临严重的油耗压力。同时，随着国家排放标准的不断升级，各地国六排放标准陆续实施，企业又同时面临严苛的排放压力。在此背景下，纯电动商用车越来越受到企业的重视。当前，国内主流商用车企业都已推出纯电动产品。

随着新能源车辆补贴标准的退坡及市场竞争的加剧，市场对纯电动商用车的动力性、经济性、续航里程也提出了更高的要求。当前，采用先进开发技术开展纯电动商用车动力匹配技术研究，是纯电动商用车开发过程中的重中之重。Cruise作为一种先进的车辆动力性经济性仿真软件，在当前车辆开发过程中得到了广泛的应用。

1 整车动力性经济性设计指标

1.1 纯电动商用车的动力性指标

纯电动商用车的动力性指标主要包括纯电动商用车的最高车速、加速性能、爬坡性能等[1]。根据《GB/T 18385-2005 电动汽车动力性能试验方法》[2]，纯电动商用车的动力性主要由以下三个指标来评定：

（1）纯电动商用车的最高车速

纯电动商用车的最高车速由以下两个指标来定义：a、30min最高车速，指纯电动商用车能够持续行驶30min以上的最高平均车速;b、1km最高车速，指纯电动商用车能够往返各持续行驶1km以上距离的最高车速的平均值。

（2）纯电动商用车的加速能力

纯电动商用车的加速能力是指纯电动商用车从速度V1加速到V2所需的最短时间。

（3）纯电动商用车的爬坡能力

纯电动商用车的爬坡能力包含以下两个指标：a、爬坡车速：纯电动商用车在给定坡度（通常为4%或12%）的坡道上能够持续行驶1km以上的最高平均车速;b、坡道起步能力：纯电动商用车在坡道上能够起动且1min以内向上行驶至少10m的最大坡度。

1.2 纯电动商用车的经济性指标

根据《GB/T 18386-2017 电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》[3]，纯电动商用车的经济性通常按纯电动商用车在一定工況（循环工况或等速工况）下能够持续行驶的里程数来定义。

通常在纯电动商用车设计时，先根据整车总体设计指标，设定动力性、经济性目标参数，在据此选定动力传动系统参数。

1.3 计算实例

某型纯电动商用车为4×2轻型载货车辆，整车总质量4495kg。整车设计指标如下：

（1）根据中国高速限速原则，N2类商用车限速100km/ h，计算时考虑10%的超速性能，设定最高车速Vamax≥110km/h;

（2）最大爬坡度tanαmax≥20%[4];

（3）加速时间：要求0～100 km/h 原地起步加速时间t≤25s;

（4）要求整车综合工况续驶里程≥200km，40km/h等速工况续驶里程≥280km。

其它已知参数：整备质量2805kg，车辆迎风面积A=3.2 m2，空气阻力系数CD=0.5;滾动阻力系数按公式f=0.0076+ 0.000056V[5]计算;轮胎静力半径0.375m，滚动半径r=0.391m。

2 动力系统参数的初步选定

2.1 电机性能参数的初步选定

2.1.1 电机峰值功率的确定

电机的峰值功率应能满足纯电动商用车在最高车速、最大爬坡度及急加速时分别对应的最大功率需求[6]。

（1）根据最高车速计算的电机最大功率

纯电动商用车以最高车速在平直路面行进时所需的最大功率为：

（2）根据最大爬坡度计算的的电机最大功率

纯电动商用车以某一车速爬上最大坡度时所需要的电机功率为：式中，vp为纯电动商用车爬坡车速;αmax为最大坡度角，单位（°）。

（3）根据加速能力计算的电机最大功率

纯电动商用车的加速能力是指纯电动商用车从某一速度加速到另一速度所需的最短时间。纯电动商用车满足加速能力所需的电机功率为：

式中，vf为加速结束后的车速，单位m/s;vb为驱动电机额定转速对应的车速，单位m/s;ρa为空气密度;ta为预期的加速时间，单位s;δ为旋转质量转换系数。

电机的峰值功率应能同时满足纯电动商用车对最高车速、最大爬坡度和加速能力的要求，所以驱动电机的峰值功率为：

2.1.2 电机额定功率的确定

电机的额定功率应满足纯电动商用车持续行驶最高车速要求，同时要考虑电机的过载特性。若λ为电机过载系数，则驱动电机的额定功率为：

2.1.3 电机转速范围的确定

电机最高转速与整车最高车速之间关系为：

2.1.4 电机扭矩的确定

2.2 传动系速比的确定

传动系速比由以下方式确定：

2.3 动力电池参数的选定

动力电池匹配主要包括功率匹配和能量匹配两个方面。

2.3.1 动力电池功率匹配

动力电池组必须满足纯电动商用车驱动电机供电、电动汽车行驶时所需的功率需求。动力电池组充放电额定功率、峰值功率要不低于驱动电机额定功率、峰值功率。

2.3.2 动力电池能量匹配

动力电池组的能量取决于纯电动商用车的续驶里程，电池组的能量越大，纯电动商用车续驶里程越长，但整车重量和成本随之增加。

动力电池组的总能量计算公式为：

式中，S为纯纯电动商用车设定续驶里程，单位km;ξSOC为蓄电池放电深度（%）;SO为纯电动商用车单位能量续驶里程（km/kwh）。SO可参考同类竞品车型统计数据，初步估算一个大概范围，以此初步确定动力电池组总能量范围，再根据动力性经济性仿真结果调整。

2.4 选型小结

根据以上计算结果，结合现有供应商产品信息，初步选定的纯电动商用车动力系统参数如表1所示。

3 基于Cruise的动力性经济性仿真

3.1 概述

Cruise软件是奥地利AVL公司开发的一款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。本实例中，初步选定纯电动商用车动力系统参数后，应用Cruise软件进行整车动力性经济性仿真，以此验证纯电动商用车动力系统选型的合理性。

3.2 整车仿真模型的建立

根据纯电动商用车整车动力传动系统方案，建立Cruise整车仿真模型，如图1所示。输入整车及电机、动力电池等各功能模块参数，并添加机械、电气、信息连接。

3.3 主要计算任务的设置

根据《GB/T 18385-2005 电动汽车动力性能试验方法》[2]及《GB/T 34585-2017纯电动货车技术条件》[4]，设定以下Cruise动力性计算任务：

（1）最高车速——30min最高车速

电机功率特性用额定功率特性曲线。车辆载荷状态设置为半载，不考虑滑移（without slip），利用cycle run计算任务设置循环工况，设置循环迭代次数，计算能持续行驶30min的最高车速。

（2）爬坡性能

1）4%爬坡车速：电机功率特性用额定功率特性曲线。车辆载荷设置为满载，不考虑滑移（without slip），用cycle run设置循环工况，道路坡度设为4%，设置循环迭代次数，计算纯电动商用车在4%的坡道上能够持续行驶1km以上的最高平均车速。

2）坡道起步能力：电机功率特性曲线用峰值功率特性曲线，车辆载荷状态设置为满载。首先设置最大爬坡度计算任务（Climbing Performance），根据计算得到的瞬态最大爬坡度值，利用cycle run设置爬坡车速计算任务，以计算纯电动商用车在1min内能够持续行驶10m以上的最大爬坡度。

（3）加速性能

电机功率特性曲线用峰值。车辆载荷设置为半载，不考虑滑移（without slip），利用Full Load Acceleration计算任务，分别计算0～100 km/h 原地起步加速时间、60～100 km/h 超车加速时间。

根据《GB/T 18386-2017 电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》[3]设定以下计算任务，电机功率特性曲线用额定功率特性曲线或峰值均可，车辆载荷状态设置为满载，计算纯电动商用车续驶里程：

1）循环工况续驶里程

参考《GB/T 27840-2011重型商用车燃料消耗量测量方法》[5]，采用C-WTVC循环，如图2所示。循环工况特征里程分配系数分别设置为市区0.1、公路0.6、高速0.3，设定动力电池的目标SOC值，设置循环迭代次数，用cycle run计算任务计算综合工况下的续驶里程。

2）40km/h等速工况续驶里程

设定40km/h等速工况路谱，设定动力电池的目标SOC值，设置循环迭代次数，用cycle run计算任务计算40km/h等速工况下的续驶里程。

3.4 动力性、经济性仿真

完成仿真计算，并整理仿真结果。

4 仿真结果分析

该型纯电动商用车Cruise动力性经济性仿真结果汇总如表2所示，各项计算任务图表如图3～图9所示。

从表2及图3～图9可以看出，该型纯电动商用车动力性经济性各项指标均达到预期目标，动力系统选型合理。

5 结论

本文先根据某型纯电动商用车整车动力性经济性设计指标，通过理论公式计算，初步选定动力系统参数，然后采用Cruise软件进行动力性经济性仿真，以此验证了该型纯电动商用车动力参数选型的合理性。基于Cruise软件的纯电动商用车动力性经济性仿真，能有效缩短车辆开发周期，提高开发效率。论文对纯电动商用车动力匹配技术研究具有一定的指导作用。

参考文献

[1] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2] GB/T 18385-2005电动汽车动力性能试验方法.

[3] GB/T 18386-2017电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法.

[4] GB/T 34585-2017纯电动货车技术条件.

[5] GB/T 27840-2011重型商用车燃料消耗量测量方法.

[6] 崔胜民.新能源汽车技术解析[M].北京：化学工业出版社，2017.