张文超 张海波
河南速达电动汽车科技有限公司 河南省三门峡市 472000
摘 要： 为了更加准确的计算纯电动手动挡汽车的动力性、经济性，利用Cruise软件分类搭建模型，优化手动变速器的换挡车速，通过对计算后的数据对比分析，得到更精确的计算结果。
关键词：纯电动汽车 动力性 经济性
1 前言
汽车的动力性与经济性一直是汽车性能研究方向，如何提高汽车的动力性与经济性，降低汽车的能量消耗率，是一个长期不变的话题。我国在“十三五”规化中明确指出纯电动汽车是未来我国汽车发展的方向，在纯电动汽车的研究中，利用多挡变速器挡位的变化，使纯电动汽车电机尽量处于恒定扭矩的高效区工作，同时明显降低电机对高转速的要求，不仅符合电机扭矩与转速特性，而且降低电机的能量消耗率，改善汽车的动力性与经济性，因此，多挡变速器是未来纯电动汽车的发展方向之一。而手动变速器已经在燃油汽车上得到了验证，技术成熟可靠、价格低廉、经济实用，本文所述为基于Cruise软件的纯电动汽车匹配5挡手动变速器仿真计算，通过对手动变速器换挡规律进行优化，得到更加合理的动力性、
经济性换挡车速，使得仿真计算的结果更加精确。
2 Cruise模型搭建及计算理论基础
2.1 模型搭建及技术路线：
本次我们研究的是一款纯电动手动挡轿车。该车是将原车型的单档减速器替换为5档手动变速器，并匹配额定功率25kW，最
高转速6000rpm的驱动电机。通过离合器实
现手动换挡时动力系统与传动系统的柔性结
合，从而满足变速器多挡手动的工作状态，
以达到车辆的使用要求。基于此原理，利用
Cruise软件，在原有单挡减速器纯电动汽车
的模型的基础上重新设置电机参数，减少单
挡减速器模块，增加5挡手动变速器及离合
器模块，同时，修改模型中的cockpit驾驶舱
模块中的换挡模式及离合器踏板行程参数，
建立纯电动手动挡汽车模型，具体如下：
2.1.1 减少原有动力整车模型中的单档
减速器模块，增加5挡手动变速器及离合器
模块，输入相关参数（图1-4）；
2.1.2 修改cockpit驾驶舱模块中的换
挡模式，改为manual手动模式，增加离合器
踏板行程参数（图5、图6）；
Research on Pure Electric Manual Transmission vehicles of Dynamic Performance and Economy Performance by Cruise
Zhang Wenchao Zhang Haibo
Abstract： I n order to calculate more accurately the dynamic performance and economy performance of pure electric manual transmission vehicles, the article used the cruise software classifi cation to build the model and optimize the speed of the manual transmission, and more accurate calculation results were obtained through comparative analysis of the calculated data.
Key words：BEV
, dynamic performance, economy performance
图1 整车模型
图2 5档手动变速器及离合器模块
图3 手动变速器参数
时代汽车 wwwautotime
汽车的的行驶力平衡方程为：
汽车档位示意图F t =F f +F i +F w +F j （1-1）其中：F t 汽车受到的阻力合力、F f 为滚动阻力、F i 为坡道阻力、F w 为风阻、F j 加速度阻力；
空气阻力：
F w
D ·A ·ρv r
2
其中：汽车与空气V r =V v +V u，air
（1-2）式中：V V 为车速(m/s)、V u，air 空气的流动速度(m/s)、C D 空气阻力系数；A 车辆迎风面积m 2
ρ空气的密度(N ·s 2·m -4)；
滚动阻力：F f =Gf cos α （1-3）坡道阻力：F i =G sin α （1-4）
加速度阻力：F j =
δm
式中：αδ为汽车旋转质量换算系数、m 整车总质量。
整理后，力平衡方程为：F t =Gf cos α+G sin α
+
D ·A ·ρv r 2+
δm
由汽车在路面上行驶的受力分析及汽车滑行的运动工况可知，汽车在平直良好的路面滑行时，若忽略摩擦，则行驶阻力只有滚动阻力F f ，空气阻力F w ，加速度阻力F j ，并
且滑行过程中，纯电动汽车处于空档状态，动力总成无有效的输出，故整车的力平衡方程为[3]：
F f +F w +F j =0 (1-7)根据Cruise 软件基础理论可知，滚动阻力系数f 是车速v 的函数，故可写成F （v ）=A +Bv （1-8）
A 为滚动阻力系数的常数项，
B 为滚动阻力系数的一次项；
因此，滚动阻力：F f =Gf =G (A +Bv )=mg(A +Bv ) (1-9)
将式(1-2)、(1-5)、(1-9)、代入式（1-7），得到
GA +GBv
令C a =
GA
δ
；C b =
C c
=
ρ
(1-11)
阻力方程：F t
C a +C b V +C c V 2
上述公式即为汽车空档滑行状态下的阻力方程，系数C a 、C b 、C c 为别为方程的常数项、
一次项、二次项系数。
表1 阻力方程系数
依据GB 18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》中，附件CC 有关道路载荷的试验方法，得到车型的汽车阻力方程各项系数：
由cruise 软件的理论基础可知，当选择考参车辆的阻力方程时[5]：
整车的行驶阻力方程为：
F t
C a
C b ·V v
·C C ·V v 2 (1-13)
其中：
为实际车辆质量、
参考车
辆质量、为实际车辆的风阻系数、为
参考车辆的风阻系数、为参考车辆迎风面
积
。
故本次整车阻力设置采用：参考车辆阻力函数（driving resistance:function
with
图4 离合器参数图5 设置换挡模式
图6 设置离合器踏板行程
图7 电机参数1
图8 电机参数2
2.1.3 修改电机参数，输入25kw 电机参数（图7、图8）；
2.1.4 修改因上述增减模块所产生的通讯信号，增加离合器及手动变速器信号连接（图9）；
2.2 计算理论基础：
根据Cruise 软件users guide 中5.1.5.7.Resistance Forces 介绍的阻力理论基础，结合《汽车理论》可知[1 5]：
图
9 通讯信号
reference vehicle）如图10、图11[6 7]
：
图
10 整车阻力设置
图11 整车阻力设置
2.3 整车的基本参数：
3 Crusie 软件的仿真设置及仿真计算
3.1 仿真分析工况内容：
依据GB/T 18385-2005《电动汽车 动力性能 试验方法》、GB/T 18386-2005《电动汽车 能量消耗续驶里程 试验方法》、GB/T 28382-2012《纯电动车乘用车 技术条件》标准规定：
纯电动汽车的动力性指标主要有：最高车速Vmax、加速时间t、汽车的最大爬坡度imax；
纯电动汽车的经济性指标主要有： 能量消耗率、续驶里程km（NEDC、等速法、WLTC）；
本文研究纯电动手动挡汽车的动力性分析：加速度、0-50km 原地起步加速时间和50-80km 加速时间三个指标。通过对加速度与加速时间的计算，优化车型的手动换挡规律与车速，使手动换挡更加平顺，车辆加速时动力性更强，计算加速时间更精确。
对其经济性分析时，采用NEDC、等速法进行对比分析。通过对比分析到最佳经济性换挡规律与换挡车速，获取车型最理想
状态下的续驶里程和能量消耗率。
3.2 Cruise 软件的计算任务简介：Cruise 软件的task folder 任务文件夹中，可增加相关的计算任务，包括：
Cycle run（循环运行）
Climbing performance(爬坡性能)Constant drive（稳态性能）
Full load acceleration （满负荷加速）Maximum traction force （最大牵引力）Cruising（巡航）
Brake/Coast/Thrust/（制动/滑行/反拖）
通过上述计算任务，可满足纯电动汽车的动力性与经济性的各项指标计算。
3.3 仿真计算设置考虑的因素： 利用Cruise 软件在计算纯电动汽车的动力性与经济性时，应考虑以下几个因素：
a)动力性计算与动济性计算时，动力总成的输出需求不同，需要根据动力性与经济性分别考虑，为此，我们将模块进行分系统搭建然后组合，分为performance 与economy 两个模型，根据计算任务选择不同类型的模型（图12、图
13）。
表
2 整车基本参数
图12 模型分类示意
1
图13 模型分类示意2
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b)同时，在电机的properties 选项中，将Derated Full Load Characteristics 分为打开与关闭，以区别电机在动力性与经济性时的不同输出（图14、图
15）。
图14 电机参数选择1
图15 电机参数选择2
properties of '
Output
Losses Efficiency Temperature From Data Bus
Split Temperature Model Derated Full Load Characteristics
Current Limit From Data Bus On Load Signal
Machine Maps U1Machine Maps U2Machine Maps U3Machine Maps U4Machine Maps U5ok
<
cancel
Speed Limiter Control Variable c)由于更换传统汽车的5档手动变速器和离合器后，在计算动力性时，
需要考虑手动变速器的最佳换挡规律， Crusie 软件中，自带有标准的换挡车速与驾驶员换挡模式，可从计算任务设置下的driver 设置栏到相关设置，如（图16、图17）[6 7]：
3.4 动力性换挡仿真计算：3.
4.1 确定换挡车速的合理性：
采用上述设置首先建立Full load acceleration （满负荷加速）任务，计算出0-100Km 加速度，如图（图18）：
在Cruise 软件可编辑图表模版将速度、加速度、当前档位数据导入生成曲线，分析发现，采用标准换挡车速换挡时，软件默认的换挡时间为0.3秒，3挡换4档加速度下降异常，波动较大，换挡不平顺，且与其它档位在换挡点的曲线明显不同，说明采用标准换挡车速换挡在计算本模型的动力性指标0-100km 的加速时，不适合本模型要求。如图18：
3.4.2 动力性换挡点的选择原理：我们在对动力性计算时，动力性换挡
规律是指：取同一加速踏板开度下，相邻挡位加速度相等的交点作为换挡点，此换
挡点能使汽车具有最大驱动加速度，由此而制定的换挡规律即为本次研究的动力性换挡规律。
动力性换挡点表达式为：
δn m
δn+1
m T a i g i o ηn
T a i n +1i o ηn
C d Au n
2
Gf +r r 21.15=
1
1C d Au u +12
Gf +
21.15
（2-1）式中：u n 、u n+1分别为同一加速踏板开度
下n、n+1挡的速度（图19）。
图19 电机满负荷参数
从此模型电机满负荷曲线可以看出，电机的恒扭矩区近似为3000rpm 以下，恒功率区近似为3000-6000rpm。
图16 标准换挡参数图
17 驾驶员参数
表
3 标准换挡点车速
图18 标准换挡0-100km 加速度、速度和挡位曲线
对于纯电动汽车，驱动电机输出转矩与加速踏板开度和当前驱动电机转速有关，其输出表达式为[2]
：
T a T max ·αn a ≤3000(rpm )
3000≤n a
≤6000(rpm )
n a
9550P max ·α=
{
（2-2）
式中，T a （α，n a ）为驱动电机输出转矩，α为加速度踏板开度，n a 为驱动电机输出转速；T max 为驱动电机输出最大转矩，P max 为驱动电机峰值功率，上式描述了加速踏板开度、电机输出转速及输出转矩关系。
3.4.3 动力性换挡点的计算：
根据上述理论，将加速踏板开度及各档车速、加速度作为三参数换挡的控制条件，我们的计算任务为电机在最大工况下的动力性，故利用Cruise 软件的Full load acceleration （满负荷加速）任务计算换挡点时，加速踏板的开度设为100%定值，各挡加速度-车速曲线的交点为最大驱动加速度交点，即动力性换挡点，如（图20、图
21）：
图20 电机满负荷各挡加速度曲线
图21 电机满负荷1-2挡换档点拟合曲线
1-2挡加速度曲线
车速v (km)
加速度a (m /s ^2)
导出加速度、速度曲线数据，用离散的数据点拟合线性方程[3]，求解交点数值，作为变速器各档升挡点车速，再根据传统变速器
换挡规律降挡曲线制定方法，采用等距法将升挡曲线左移5km/h，以避免循环换挡，得到降挡点的换挡车速：
表4 动力性实际换挡点车速
将动力性换挡点车速导入计算任务中，通过结果对比分析，如下图，可以看出优化后换挡车速下，3挡到4挡的换挡时间比以前有所减少，且换挡平顺很多（图22、图23）。
从计算结果可以看出，0-50km 加速时，优化换挡车速后，加速时间减小0.41s，50-80km 加速时，加速时间减小0.19s。在实际的日常驾驶中，驾驶员的习惯操作、离合踏板松开时间，手动换挡时间等对整车的加
表5-1 标准换挡 加速度数据
表5-2 优化换挡 加速度数据
速度也有一定的影响，本次仿真计算采用了Cruise 软件推荐的标准驾驶员参数，只是对
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