纯电动汽车cruise软件动力性和经济性仿真分析
汽车设计的那点事2020-03-30 10:35
Cruise软件是奥地利AVL公司开发的用于研究车辆动力性、燃油经济性、排放性能与制动性能的高级仿真分析软件，是快速、便捷、高效的车辆动力学仿真工具。该软件真实再现了车辆的传动系模型，可用于车辆开发过程中的动力传动系的匹配、车辆性能预测等等。利用Cruise软件进行模拟计算包括四个步骤：建立车辆模型、输入各总成模型数据、定制所需计算任务和查看计算结果。
1.2.1.1 建立车辆模型
我们以XXX为例，分析整车结构和功能，使用Cruise软件建立整车仿真模型。XXXX是前轮驱动，自动变速器，驾驶室只控制加速踏板和制动器踏板。根据结构和布置形式的分析，选用模型库中的汽车模块（Vehicle）、电动机模块（Electric Macine）、电池模块（Battery H）、单级减速器模块（Single Ratio Transmission，作为主减速器）、差速器模块（Differential）、驾驶室模块（Cockpit）以及车轮（Wheel）和制动器模块（Brake）。将这些模块从车辆建模组件库中按图1所示拖入建模窗口。
图1 XXX车辆模型构建当各子系统模型选定之后，应根据汽车配置方案和部件连接关系建立模型的物理连接，该步骤相对简单，只需用connect连接功能建立物理连接，如图2所示。传动系各部件之间有直接的物理连接关系，车轮和制动器之间也有物理连接关系，但驾驶室与动力传动系和制动系之间没有物理连接，在仿真过程中，它们之间是通过信号连接来传递信息的。
图2 XXXX车辆模型物理连接信号连接是车辆建模过程中最关键内容之一，也有较大难度。要想正确建立汽车各子模型之间的信号连接关系，必须对汽车系统内部件之间的连接和控制关系、信息传递关系以及汽车动力学有深入的理解。如XXXX车辆模型，驾驶室（Cockpit）需要的转速信号来自于电动机（Electric Machine）的转速（Speed）；同样，制动器（Brake）需要的制动压力、电动机（Electric Machine）需要的负荷信号和周围温度（Ambient Temperature）信号都来自于驾驶室（Cockpit）。
双击建模窗口下方的彩色线条打开数据总线，如图3所示，各子模型之间的连接关系见表3。
图3 XXXX车辆模型信号连接表3 XXXX车辆模型信号连接信息
在数据总线连接时，需要注意：input information…from中显示为蓝色的项目为必须连接的项目，电动机（Electric Machine）模块中的负荷信号（Ambient Temperature）虽然显示为黑色，但也必须进行连接。
1.2.1.2 输入各总成模型的数据
模型数据的输入有以下几种方式：手动输入数据；从已有模型中调入数据；拷贝与粘贴方式输入输出数据。
手动输入数据：双击建模窗口中的每一个组件，都会弹出一个窗口，根据需要输入每个组件的相关数据即可。
从已有模型中调入数据：例如从已有整车模型中调入发动机数据如图4。
图4 从已有模型中调入数据拷贝与粘贴方式输入输出数据：数据可以通过拷贝与粘贴方式输入输出，这可以在Cruise内部进行，也可以与其它软件进行，比如Excel之间传输数据。
1.2.1.3 定制所需的计算任务
建模和参数输入完成之后，利用检查功能（check）来检查模型是否正确，数据输入是否完整，如果通过检查，便可进行仿真。
在仿真计算之前，要定制仿真任务。根据需要计算的内容，建立相应的文件夹，在每个文件夹下添加相应的计算任务，如图5。
图5 添加计算任务
计算任务的定义包括：计算模式、道路环境，驾驶员，测量点的定义，换档规律等等。
1.2.1.4 查看计算结果
在结果管理器messages文件夹中可以查看所定制的各计算任务的详细计算结果，也可以在各计算任务的文件夹中查看图形文件。例如：XXXX车型的计算结果如图6～图14
图6 各档最高车速
图7 各档最大爬坡度
图8 各档最大加速度
图9 原地起步加速时间
图10 直接档超车加速时间
图11 各档最大牵引力
图12 各档最大爬坡度
图13 各档最大加速度
图14 功率平衡图1.3 基础数据收集和输入
1.3.1 动力总成参数
1.3.1.1 整车相关参数
在车辆模型中需要输入的主要参数包括：轴距、车辆质心位置、整备质量、列车总质量、迎风面积、空气阻力系数和轮胎压力。
1.3.1.2 电动机相关参数
在电动机模型中需要输入标称电压、峰值转速、外特性曲线和电机Map图（电动机厂家提供）。
1.3.1.3 电池相关参数
在电池模型中需要输入单体电芯的最大容量、初始容量百分比、标称电压、最大电压、最小电压；整个电池包是由上述电芯几并几串组成、电池的充电曲线和放电曲线（由电池厂家提供）。
1.3.1.4 单极减速器模块参数
在单极减速器模块中需要输入速比、输入惯性力矩、输出惯性力矩。
1.3.1.5 制动片模块参数
在制动片模块中需要输入制动缸面积、制动片摩擦系数、制动因子、有效半径、效率、转动惯量。
1.3.1.6 轮胎模块参数
在轮胎模块中需要输入轮胎转动惯量、轮胎摩擦系数、参考轮胎载荷、轮胎修正系数、输入轮胎型号计算轮胎的静态滚动半径和动态滚动半径。
1.3.2 车辆运行环境参数（滚阻、风阻或滑行试验数据、坡阻等）
1.3.2.1 滚动阻力系数
滚动阻力是车轮在地面上滚动时产生的阻力，主要由以下各种阻力组成：
1) 轮胎沿路面滚动时，轮胎变形所引起的阻力；
2) 路面变形所引起的阻力；
3) 路面不平整所引起的冲击阻力；
4) 轮毂轴承的摩擦阻力。
滚动阻力系数可由滑行试验测定。
滚动阻力系数也可以由经验公式计算出来：
1.3.2.2 空气阻力系数和迎风面积
空气阻力系数与车辆的造型密切相关，另外还与车身的高度以及车辆底部的平滑程度等因素有关。空气阻力系数可以通过风洞试验测得，或者通过整车滑行试验数据拟合推导出，或者通过经验选取。
1.3.3 驾驶员换挡规律
在Cruise的模拟计算中，有四种换档方式可供选择：根据最大加速度换档、根据车速换档、根据电动机转速换档和根据下一档位的电动机转速换档。
我们一般选择根据电动机转速来换挡。
1.4 计算任务和匹配优化
1.4.1 计算任务
1.4.1.1 循环工况（Cycle Run）
该任务的主要作用是计算循环工况（如NEDC等）中油耗和排放的情况。对于电动车来说就是百公里电量消耗。
1.4.1.2 爬坡性能分析（Climbing Performance）
该任务用于计算车辆的最大爬坡度。不同挡位下的最大爬坡度也可以得到。
1.4.1.3 稳态行驶工况分析（Constant Drive）
该任务用于计算稳定行驶时车辆的燃油消耗和排放性能。该任务计算每一档位下，整个发动机转速范围内车辆的性能。另一个功能就是通过优化主减速比进行理论最高车速的计算和在当前主减速比下的实际最高车速的计算。
1.4.1.4 满载全负荷加速性能（Full Load Acceleration）
1) 计算各个档位下的全负荷最大加速度；
2) 从原地起步连续换挡到最高车速的加速性能；
3) 从某一车速加速到另一更高车速的加速性能，可以选择换挡或者不换档。
1.4.1.5 最大牵引力计算（Maximum Traction Force）
计算各个档位在所有车速下的最大牵引力，该任务可用来绘制驱动力-行驶阻力平衡图、功率平衡图等。
1.4.1.6 制动/滑行/倒拖（Brake/Coast/Thrust）
该任务用于计算车辆制动性能。计算中需要定义是否换档和实际制动力。通过改变某些参数也可进行车辆滑行分析，以检验汽车模块中行驶阻力的设定是否正确。
1.5 计算结果输出及数据分析
1.5.1 输出格式及内容规范
计算完成后我们将以表格形式输出计算结果，这些内容包括：最高车速、最大爬坡度、连续起步换档加速时间、直接档超车加速时间、最高档（或直接档）等速燃油消耗值、自定义循环工况油耗等等。简单计算某种车型配置动力性和经济性结果输出见表4。
表4 简单计算结果输出模版
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