基于ADVISOR的純電動(dòng)公交車(chē)的建模與仿真

龔嬋媛

（江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院，張家港 015600）

0 引言

汽車(chē)排放的尾氣給環(huán)境帶來(lái)了巨大的壓力，中國(guó)城市空氣污染物有60%來(lái)自于汽車(chē)尾氣，而汽車(chē)尾氣污染的40%以上來(lái)自于城市公交車(chē)尾氣。由于純電動(dòng)公交車(chē)具有零污染、零排放的優(yōu)點(diǎn)，所以研發(fā)純電動(dòng)城市客車(chē)不失為解決城市空氣污染問(wèn)題的重要途徑之一[1]。本文以純電動(dòng)客車(chē)為依托，通過(guò)仿真技術(shù)的研究，對(duì)純電動(dòng)客車(chē)的性能特點(diǎn)作了深入了解，建立了整車(chē)模型、車(chē)輪模型、主減速器模型、變速器模型、電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器模型等，對(duì)所建立的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果驗(yàn)證了動(dòng)力系統(tǒng)各元件的參數(shù)匹配的合理性。

1 動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

純電動(dòng)客車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)主要包括：電動(dòng)力、蓄電池、傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四個(gè)部分[2]。驅(qū)動(dòng)整車(chē)的能量全部為電能，蓄電池組向電機(jī)供電，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛，當(dāng)汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)也可以作為發(fā)電機(jī)，在回收制動(dòng)能量時(shí)發(fā)電，再對(duì)蓄電池組充電。參照北京奧運(yùn)純電動(dòng)客車(chē)BK6122EV2的標(biāo)準(zhǔn)[3]，確定本車(chē)型各項(xiàng)性能指標(biāo)如下：最高車(chē)速≥80km/h，0～50km加速時(shí)間≤25，最大爬坡速度（滿(mǎn)載）≥20%，續(xù)航里程≥150km，制動(dòng)距離（空載/滿(mǎn)載）≤9km/h/≤10km/h。

1.1 電機(jī)的匹配計(jì)算

電動(dòng)機(jī)為純電動(dòng)客車(chē)提供了行駛的動(dòng)力，為了能夠使客車(chē)在低速、爬坡的狀態(tài)下平穩(wěn)行駛，電動(dòng)機(jī)需要提供較大的轉(zhuǎn)矩。在客車(chē)加速的過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)需提供較大的功率。在匹配電動(dòng)機(jī)時(shí)，主要考慮電動(dòng)機(jī)的額定功率、峰值功率、額定轉(zhuǎn)速和峰值轉(zhuǎn)速。

計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率時(shí)，需要參照電動(dòng)客車(chē)的最大爬坡度imax(%)、最高車(chē)速u(mài)max(km/h) 、初速度u0(km/h)～末速度ut(km/h)所需時(shí)間T(s)來(lái)計(jì)算出電動(dòng)機(jī)功率。先后計(jì)算出客車(chē)以最高速度umax(km/h)行駛時(shí)電機(jī)需提供的功率Pmax1=68.6kW、在最大坡度上行駛時(shí)所需功率Pmax2=139.4kW、客車(chē)在加速時(shí)所需達(dá)到的功率Pmax3=67.6kW。而電動(dòng)機(jī)輸出的最大功率P必須要同時(shí)滿(mǎn)足上述三種情況，即滿(mǎn)足式(1)：

根據(jù)上述公式，綜合考慮純電動(dòng)客車(chē)承載客量、內(nèi)部電器設(shè)備的能量消耗等，最終選擇峰值功率為150lkW的永磁同步電動(dòng)機(jī)。

1.2 傳動(dòng)系參數(shù)的計(jì)算

電動(dòng)客車(chē)的傳動(dòng)比是由變速器決定的，在匹配變速器時(shí)，需要確定變速器是幾檔，各個(gè)檔位的傳動(dòng)比是多少。純電動(dòng)客車(chē)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍較大，所以檔位可以適當(dāng)減少，最終確定純電動(dòng)客車(chē)匹配兩檔變速器。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出最小傳動(dòng)比、最大傳動(dòng)比分別為imin=1，imax=4.5。通過(guò)最高車(chē)速和最大爬坡度驗(yàn)算校核，兩檔均滿(mǎn)足要求。因此確定匹配兩檔變速器，其傳動(dòng)比如表1所示。

表1 變速器傳動(dòng)比數(shù)據(jù)

1.3 動(dòng)力電池選型

為電動(dòng)機(jī)提供能量的唯一部件就是蓄電池組，理論上電池容量越大，客車(chē)?yán)m(xù)航能力越強(qiáng)。但電池容量越大，其質(zhì)量和體積也會(huì)越大。因此，在選擇蓄電池時(shí)要綜合考慮它的容量、體積、質(zhì)量和性能。

通過(guò)分析技術(shù)，結(jié)合市場(chǎng)情況，選擇天空能源公司的磷酸鐵鋰電池組作為本系統(tǒng)的動(dòng)力電池組，其各性能參數(shù)如表2所示。

表2 蓄電池參數(shù)

2 仿真模型的建立

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)模型，應(yīng)用軟件進(jìn)行仿真建模和分析是非常必要的。由美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）研發(fā)的高級(jí)車(chē)輛仿真軟件ADVISOR，能夠?qū)冸妱?dòng)汽車(chē)的各種性能進(jìn)行快速模擬試驗(yàn)。ADVISOR有三個(gè)界面，分別是整車(chē)參數(shù)輸入界面、仿真參數(shù)輸入界面和仿真運(yùn)行結(jié)果界面。

在整車(chē)參數(shù)輸入界面，可以根據(jù)需要選擇動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)配置及對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在對(duì)整車(chē)模型、車(chē)輪模型、主減速器模型、變速器模型、電機(jī)模型、蓄電池模型等參數(shù)進(jìn)行輸入，并修改相關(guān)m文件參數(shù)之后。以整車(chē)模塊為例，本模塊與要輸入的參數(shù)是：仿真步長(zhǎng)結(jié)束時(shí)的車(chē)速、系統(tǒng)提供的驅(qū)動(dòng)力和線(xiàn)速度。輸出的參數(shù)是：車(chē)輛需要的驅(qū)動(dòng)力和實(shí)際速度。

整車(chē)m文件需要修改的數(shù)據(jù)：

veh_description=’bishe Vehicle’；%汽車(chē)的描述

veh_CD=0.56；%風(fēng)阻系數(shù)

veh_FA=6.3；%迎風(fēng)面積（m2）

veh_cg_height=0.725；%質(zhì)心高度（m）

veh_front_wt_frac=0.36；%前軸荷占整車(chē)質(zhì)量的百分比

veh_wheelbase=6.3；%軸距（m）

veh_glider_mass=14500-1344-78-50；%車(chē)輛滑行質(zhì)量（kg）

veh_cargo_mass=3500；%最大裝載質(zhì)量（包括乘員）（kg）

整車(chē)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

最終建立的純電動(dòng)客車(chē)仿真模型如圖2所示。

圖1 整車(chē)模塊結(jié)構(gòu)

圖2 純電動(dòng)客車(chē)仿真模型

3 仿真結(jié)果分析

目前評(píng)價(jià)整車(chē)性能主要有CYC_ECE_EDUC_LOW、CYC_UDDS和CYC_CONSTANT-60三種循環(huán)工況。CYC_ECE_EDUC_LOW是歐洲和我國(guó)排放法規(guī)測(cè)試的典型工況之一，該工況仿真時(shí)間1224s，行駛里程10.59km，平均車(chē)速31.11km/h，最高車(chē)速90km/h，在仿真行駛過(guò)程中，共停車(chē)13次。車(chē)速仿真結(jié)果如圖3所示，循環(huán)需求曲線(xiàn)（藍(lán)色曲線(xiàn)）與實(shí)際車(chē)速（紅色曲線(xiàn)）較為吻合，客車(chē)在規(guī)定工況上行駛情況良好。電池的SOC值變化如圖4所示，開(kāi)始階段，由于電池的放電極化現(xiàn)象致使SOC值下降嚴(yán)重，在SOC值達(dá)到0.88左后，電池會(huì)在趨于平穩(wěn)的區(qū)域內(nèi)工作。

圖3 速度與時(shí)間關(guān)系圖

圖4 SOC值隨時(shí)間變化圖

純電動(dòng)客車(chē)的重要性能指標(biāo)之一就是續(xù)航里程。本文在CYC_ECE_EDUC_LOW循環(huán)工況和50km/h等速工況中對(duì)純電動(dòng)客車(chē)進(jìn)行仿真，得出其續(xù)航里程。如圖5所示。

在50km/等速仿真情況下，不考慮外部環(huán)境及駕駛員的干擾，模擬車(chē)輛在平坦的公路上以50km/h的速度行駛，在ADVISOR中設(shè)置蓄電池的放電深度為80%，即當(dāng)蓄電池的SOC值小于0.2時(shí)停止輸出電能，純電動(dòng)客車(chē)停止。

根據(jù)圖5可以得出以下結(jié)論：蓄電池的SOC值與純電動(dòng)客車(chē)的行駛里程基本呈線(xiàn)性關(guān)系，并隨著客車(chē)行駛里程增加而減小，當(dāng)蓄電池的SOC值減小到0.2時(shí)，客車(chē)行駛里程不再發(fā)生變化，這意味著客車(chē)停止。在50km/h等速工況下，純電動(dòng)客車(chē)的最大行駛里程為156.6km，滿(mǎn)足設(shè)定的性能要求。

圖5 續(xù)駛里程

圖6 電機(jī)功率仿真結(jié)果

圖6是純電動(dòng)客車(chē)在CYC_UDDS工況中仿真時(shí)，電機(jī)輸出功率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，可以看出電機(jī)輸出的最大功率大約為150kW，符合電機(jī)的峰值功率。

4 結(jié)論

針對(duì)一款純電動(dòng)城市客車(chē)，，根據(jù)其動(dòng)力性能指標(biāo)和整車(chē)參數(shù)，計(jì)算出各主要元件需要滿(mǎn)足的參數(shù)，完成了動(dòng)力系統(tǒng)元件的型式匹配。在ADVISOR軟件中建立了動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型，對(duì)車(chē)速、SOC值、續(xù)駛里程、電動(dòng)機(jī)功率等仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了動(dòng)力系統(tǒng)匹配方案的合理性。

[1] 王少凱.基于Cruise軟件的純電動(dòng)城市客車(chē)的建模與仿真[J].客車(chē)技術(shù)與研究,2011,2:10-12.

[2] 曾小華,宮維鈞.ADVISOR 2002電動(dòng)汽車(chē)仿真與再開(kāi)發(fā)應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[3] 林程,王硯生,孟祥峰.奧運(yùn)純電動(dòng)大客車(chē)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京理工大學(xué)出版社.2008.

[4] 張光亞.城市電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配及電機(jī)控制器設(shè)計(jì)[D].吉林大學(xué).2007.