純電動(dòng)大客車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真分析

張　瓊， 高　松， 王玉成， 溫延兵， 李　博

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院， 山東 淄博 255049 )

純電動(dòng)大客車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真分析

張瓊， 高松， 王玉成， 溫延兵， 李博

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院， 山東 淄博 255049 )

摘要：電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)對整車性能有很大影響，根據(jù)整車基本結(jié)構(gòu)參數(shù)和目標(biāo)性能要求，確定動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)各參數(shù)的具體設(shè)計(jì)計(jì)算方法，通過對電機(jī)、電池及傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)匹配與合理選型來確保整車動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能發(fā)揮到最優(yōu)值.利用CRUISE軟件建立純電動(dòng)城市客車動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型，根據(jù)模擬仿真結(jié)果對各性能指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，特別針對動(dòng)力電池進(jìn)行建模仿真，通過仿真得到的電池性能數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)分析設(shè)計(jì)電池參數(shù)及選型是否滿足要求.結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)匹配方案能夠很好地滿足整車動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能要求，為純電動(dòng)大客車的匹配設(shè)計(jì)分析提供了新的思路，具有一定的理論指導(dǎo)意義.

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)大客車； 參數(shù)設(shè)計(jì)； 仿真模型； CRUISE軟件

收稿日期：2015-01-26

基金項(xiàng)目：國家“863”計(jì)劃(2012AA110305)

通信作者：

作者簡介：張瓊，女，7816as@163.com； 高松，男，gs6510@163.com

文章編號(hào)：1672-6197(2016)01-0012-06

中圖分類號(hào)：U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract:Matching design of the electric vehicle power system parameters has a great influence on the vehicle performance. According to the basic structural parameters of vehicle and target performance requirements, we determine the detailed design and calculation method for the parameters of power transmission system. Through the design of parameters for the motor, battery and transmission system and rational selection,we ensure that the power performance and the economic performance of the vehicle to the optimal value. Then we establish the simulation model of the pure electric bus by Cruise, evaluate and analyze the performance index parameters by the simulation results. Especially for modeling and simulation of power battery，we analyze the design and selection of battery parameters whether meet the requirements by the performance data obtained through simulation. The results show that the design of the power system matching scheme can satisfy the vehicle dynamic performance and economic performance perfectly, and provides a new idea for the matching analysis of pure electric bus. It has a certain theoretical guiding significance.

Matching design and simulation analysis for the power system of pure electric bus

ZHANG Qiong, GAO Song, WANG Yu-cheng, WEN Yan-bing, LI Bo

(School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Key words: pure electric bus; parameters design; simulation model; CRUISE

新能源汽車已成為當(dāng)今社會(huì)研究的熱點(diǎn)，目前各國研究者紛紛對新能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入探討，爭取實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的有效突破.動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵組成部分，其參數(shù)匹配對整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有很大的影響[1].本文通過分析給定的純電動(dòng)大客車整車參數(shù)和目標(biāo)性能要求，設(shè)計(jì)計(jì)算動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)各參數(shù)并對其進(jìn)行合理匹配優(yōu)化，從而得到一套完整的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以獲取純電動(dòng)大客車最佳動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能.

1整車基本參數(shù)和目標(biāo)性能要求

考慮實(shí)際設(shè)計(jì)需求及純電動(dòng)大客車的道路允許條件，參考國家標(biāo)準(zhǔn)，確定的整車基本參數(shù)和目標(biāo)性能要求見表1和表2.

表1整車基本參數(shù)

參數(shù)數(shù)值整備質(zhì)量/kg12800滿載質(zhì)量/kg18000外形尺寸(長×寬×高)/mm11500×2530×3250軸距/mm6200(前懸/后懸)/mm2600/3200迎風(fēng)面積/m27.5風(fēng)阻系數(shù)0.6輪胎規(guī)格275/70R22.5滾動(dòng)阻力系數(shù)0.018座位數(shù)/額定載客人數(shù)22/80機(jī)械傳動(dòng)效率0.92

表2目標(biāo)性能指標(biāo)

參數(shù)數(shù)值最高車速/km·h-1≥70最大爬坡度/%≥20一次充電續(xù)駛里程/km≥1500~40km/h加速時(shí)間/s≤10

2動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的純電動(dòng)大客車主要用于市區(qū)道路行駛，由于城市人口稠密，交通擁擠等狀況，汽車要頻繁運(yùn)行于起步、加速、制動(dòng)、停車等工況，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)能滿足各種工況需求[2].

2.1　驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)確定

電機(jī)性能對電動(dòng)汽車整車性能有著重要影響.電機(jī)的調(diào)速范圍要寬，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)還要保持較高的運(yùn)行效率[3].需要確定的電機(jī)參數(shù)有：驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率和峰值功率、額定轉(zhuǎn)矩和峰值轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速、電機(jī)的額定電壓等.

2.1.1　驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率確定

電機(jī)功率的選擇對整車動(dòng)力性能起著至關(guān)重要的作用.電機(jī)功率越大，電動(dòng)汽車的加速和爬坡能力就越好，但電機(jī)的體積和質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)地增大，若電機(jī)經(jīng)常處于高效率區(qū)工作，整車能量利用率和續(xù)駛里程會(huì)有所下降；但如果電機(jī)功率選擇過小就會(huì)造成車輛正常行駛工況條件下電機(jī)的過載運(yùn)行，從而導(dǎo)致電機(jī)溫度偏高、壽命劇減等問題的產(chǎn)生[4]，因此要合理選擇電機(jī)的功率.

車輛一般在啟動(dòng)加速、爬坡、最高車速這3種情況下行駛時(shí)需求功率是最高的，為此，電機(jī)的功率選擇首先要滿足以上幾個(gè)方面的要求[5-6].

在國標(biāo)GB/T 18385中規(guī)定，電動(dòng)汽車的最高車速包括持續(xù)30min最高車速和持續(xù)行駛1km最高車速兩種定義，分別對應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)定持續(xù)最大輸出功率(額定功率)和短時(shí)最大輸出功率(1~5min峰值功率)，在表2中指出的最高車速要達(dá)到70km/h的要求是指持續(xù)30min最高車速，對應(yīng)的車輛需求功率P1的計(jì)算公式可簡化為

(1)

將爬坡時(shí)的車速定為10km/h，滿足最大爬坡要求時(shí)對應(yīng)的車輛需求功率P2的計(jì)算公式為

(2)

根據(jù)汽車的功率平衡方程式可得到車輛原地起步加速時(shí)對應(yīng)的需求功率P3為

(3)

通常用加速時(shí)間表征汽車的加速性能，若在平直的路面上測量加速時(shí)間，得到加速度—時(shí)間關(guān)系曲線，采用分段積分的方法得到各個(gè)速度區(qū)間的加速時(shí)間，累加后即得到原地起步加速到指定車速的全力加速時(shí)間，由式(3)可得

選擇的電機(jī)需求功率應(yīng)能同時(shí)滿足汽車對最高車速、最大爬坡度及加速時(shí)間的要求，即Pe≥max(P1，P2，P3)，在過載允許的范圍內(nèi)(λp=Pmax/Pe，λp一般取值在2~4之間)選定過載功率Pmax.

2.1.2　驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩確定

電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩對整車動(dòng)力性能有很大影響，特別是車輛的加速和爬坡性能.電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩要大于負(fù)載可能出現(xiàn)的最大轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩越大，就越有利于汽車的原地起步加速和爬坡.但過大的電機(jī)轉(zhuǎn)矩會(huì)增大電機(jī)配件精度要求，電機(jī)成本大大提高，而且過大的電機(jī)轉(zhuǎn)矩可能會(huì)導(dǎo)致汽車以低檔位行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)力超過車輛的附著極限，驅(qū)動(dòng)力得不到充分利用[7].為此，在選擇電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩時(shí)不僅要滿足車輛的動(dòng)力性能要求，還要與傳動(dòng)系最大傳動(dòng)比協(xié)調(diào)考慮.

由驅(qū)動(dòng)電機(jī)的外特性曲線(見圖1)可知，電機(jī)在基速以下為恒轉(zhuǎn)矩輸出，基速以上為恒功率輸出.在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，轉(zhuǎn)矩恒定不變，輸出功率隨著轉(zhuǎn)速的提高線性增長；而在恒功率區(qū)，功率不變，轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的提高呈雙曲線遞減.在圖1中，Te、ne分別為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速，額定功率、額定轉(zhuǎn)矩相同的電機(jī)，若最高轉(zhuǎn)速由 nmax2降至nmax1，電機(jī)的恒功率范圍會(huì)從恒功率區(qū)2降至恒功率區(qū)1.研究表明，較大的恒功率區(qū)可有效改善車輛的動(dòng)力性能，在允許范圍內(nèi)可適當(dāng)選取較大的最高轉(zhuǎn)速.

圖1　驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性示意圖

由此計(jì)算得到電機(jī)的峰值扭矩，再通過選定合適的扭矩過載系數(shù)λT(λT一般取值在2~4之間)來確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩Te.

2.2　動(dòng)力電池參數(shù)設(shè)計(jì)

純電動(dòng)汽車的能量消耗完全依賴于動(dòng)力電池，電池組的總?cè)萘繘Q定了整車的續(xù)駛里程[8].所選擇的電池組的類型、質(zhì)量和各種技術(shù)參數(shù)也會(huì)對電動(dòng)汽車的整車性能造成一定影響.

合理地分配電池容量對提升整車性能非常重要.根據(jù)電動(dòng)汽車對動(dòng)力性和續(xù)駛里程的目標(biāo)性能要求及車輛行駛時(shí)所需的最大功率和消耗的能量來確定電池組的容量.參考GB/T18386電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程標(biāo)準(zhǔn)，采用等速法(40km/h)和續(xù)駛里程設(shè)計(jì)目標(biāo)值來計(jì)算電池容量

(4)

式中：E為電池容量；ηt為整車傳動(dòng)效率； U為電池組電壓； ηe為電機(jī)工作效率； ηb為電池放電效率； P40為整車在40km/h穩(wěn)定行駛時(shí)的輸出功率.

2.3　傳動(dòng)系速比設(shè)計(jì)

傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比的大小對電動(dòng)汽車的加速時(shí)間、續(xù)駛里程、爬坡度等都有重要的影響，選擇合適的傳動(dòng)比，使電機(jī)經(jīng)常處于高效率區(qū)工作，可以有效改善整車性能.

純電動(dòng)大客車以最高車速行駛時(shí)，變速器處于最高檔位，即以最小的傳動(dòng)比運(yùn)轉(zhuǎn)；在最大爬坡度時(shí)，汽車以最大傳動(dòng)比檔位行駛[9-10].根據(jù)整車動(dòng)力性能和續(xù)駛里程要求，傳動(dòng)系最大、最小傳動(dòng)比范圍可通過以下兩式確定：

(5)

(6)

對于純電動(dòng)大客車，考慮整車結(jié)構(gòu)布局、車重、成本等問題，檔位數(shù)不宜過多，當(dāng)傳動(dòng)比范圍較小時(shí)，可取消變速器，使用固定速比減速器，直接由電機(jī)驅(qū)動(dòng)；當(dāng)傳動(dòng)比范圍較大時(shí)，可選用兩檔變速器，一檔用于爬坡，一檔用于加速行駛，充分發(fā)揮整車動(dòng)力性能.

城市公交車大多以25~50km/h的速度行駛，為此，要保證在此速度區(qū)間行駛時(shí)電機(jī)處于高效率區(qū)工作，由電機(jī)的效率圖(圖2)可以看出，電機(jī)在接近中等或偏低轉(zhuǎn)速時(shí)的效率較高，為此選擇的傳動(dòng)系速比應(yīng)確保電機(jī)轉(zhuǎn)速在中等偏低范圍.通過計(jì)算得∑i∈[5.26,6.22]，傳動(dòng)比范圍不大，為簡化整車結(jié)構(gòu)、降低成本，采用固定速比減速器即可滿足要求，初步確定主減速比為6.16，則當(dāng)車速為25~50km/h時(shí)，對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為1061~2122r/min，由圖2可知，在此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，電機(jī)的效率相對較高，最后通過仿真試驗(yàn)來驗(yàn)證選擇的傳動(dòng)系速比是否滿足整車性能要求.

2.4　動(dòng)力元件選型

動(dòng)力元件的選擇要結(jié)合設(shè)計(jì)車型的實(shí)際運(yùn)行工況，不同車型和路況對動(dòng)力元件的性能要求不同，電動(dòng)汽車用電機(jī)要求具有高轉(zhuǎn)速、高電壓、輕質(zhì)量，且調(diào)速范圍寬、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等；在選擇動(dòng)力電池類型時(shí)主要考慮的因素有蓄電池的比能量、比功率、能量密度、功率密度、電池的循環(huán)壽命等.

結(jié)合給出的公式計(jì)算所得電機(jī)、電池的基本參數(shù)，以及不同類型電機(jī)、電池的特點(diǎn)，最終確定的電機(jī)、電池類型及具體參數(shù)值見表3、表4，選定電機(jī)的效率特性和扭矩特性曲線如圖2、圖3所示.

表3電機(jī)具體參數(shù)

電機(jī)型號(hào)參數(shù)(Pe/Pmax)/kw(Te/Tmax)/N·m(ne/nmax)/r·min-1開關(guān)磁阻電機(jī)100/250870/27001100/3000

表4電池具體參數(shù)

電池類型單體電壓U/V工作電壓U/V額定容量Ae/A·h鎳氫動(dòng)力電容電池1.2400~600200

圖2　電機(jī)效率特性曲線

圖3　電機(jī)扭矩特性曲線

3整車建模仿真及結(jié)果分析

3.1　整車模型的建立

奧地利AVL公司開發(fā)的CRUISE軟件是用于車輛動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、尾氣排放、制動(dòng)性能分析的高級(jí)仿真軟件[11].CRUISE采用模塊化設(shè)計(jì)思路，結(jié)構(gòu)形式靈活多變，能夠適用于各種車型的開發(fā)和參數(shù)優(yōu)化.CRUISE軟件中有自帶的模塊箱，可根據(jù)用戶需求選擇合適的模塊拖至工作區(qū)，將所有模塊按車輛設(shè)計(jì)模型擺放到相應(yīng)的位置，然后對各模塊進(jìn)行機(jī)械連接、電氣連接，得到的純電動(dòng)大客車模型如圖4所示.

圖4　純電動(dòng)大客車整車模型

在建完整車模型后，完成電機(jī)、電池、變速器、車輪等模塊參數(shù)的輸入，并添加相應(yīng)的計(jì)算任務(wù)，通過選擇不同行駛工況模擬實(shí)際的道路運(yùn)行工況.考慮純電動(dòng)大客車的行駛狀況，分別添加了Constant Drive、Cycle Run、Full load Acceleration、 Climbing Performance 4個(gè)計(jì)算任務(wù)，來驗(yàn)證設(shè)計(jì)匹配的客車參數(shù)是否滿足整車動(dòng)力性能和續(xù)駛里程要求.

3.2　仿真結(jié)果分析

電池性能的優(yōu)劣不僅影響整車經(jīng)濟(jì)性能，還影響純電動(dòng)大客車的行車安全，通過模擬純電動(dòng)大客車在標(biāo)準(zhǔn)工況下的運(yùn)行試驗(yàn)，可查看汽車在行駛過程中電池的使用狀況及性能變化.在試驗(yàn)中選用城市-市郊綜合工況(NEDC)，整個(gè)循環(huán)工況的仿真結(jié)果和在NEDC工況下動(dòng)力電容電池的性能變化如圖5~圖8所示.從圖5中可以看出，實(shí)際行駛車速變化曲線和需求車速變化曲線基本保持一致，速度沒有較大波動(dòng)，表明搭建的整車模型能夠較好地傳遞駕駛員意圖.由圖6、圖7的曲線可以看出，選擇的鎳氫動(dòng)力電容電池的放電電流大部分在200A以下，在整個(gè)工況運(yùn)行過程中，只在幾個(gè)加減速變化

圖5　NEDC循環(huán)工況仿真

圖6　鎳氫動(dòng)力電容電池電流變化曲線

圖7　鎳氫動(dòng)力電容電池電壓變化曲線

圖8　鎳氫動(dòng)力電容電池SOC隨時(shí)間的變化

很大的點(diǎn)超過300A，電池的放電電壓在500V左右，即電池大部分時(shí)間處于規(guī)定的工作電壓狀態(tài)，電池的荷電狀態(tài)變化相對較為平緩.由圖8可知設(shè)計(jì)的純電動(dòng)大客車完成一次NEDC工況，SOC值僅由80%降至70%左右，電池的能量利用率較高，經(jīng)濟(jì)性能好，通過分析計(jì)算可知，選擇的動(dòng)力電池容量能夠保證電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程要求.

圖9~圖11分別為純電動(dòng)城市客車的最高車速、最大爬坡度、及0~40km/h加速時(shí)間性能仿真結(jié)果，可以看出，純電動(dòng)大客車最高車速能達(dá)到78km/h，0~40km/h的加速時(shí)間為7.05s，最大爬坡度能達(dá)到24%.由此可見，純電動(dòng)大客車各項(xiàng)性能指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性.

圖9　最高車速仿真結(jié)果

圖10　加速時(shí)間曲線圖(0~40km/h)

圖11　最大爬坡度曲線圖

4結(jié)束語

設(shè)計(jì)一套適合純電動(dòng)大客車運(yùn)行的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)對其整車性能有著很大影響，本文從純電動(dòng)大客車整車參數(shù)和目標(biāo)性能要求出發(fā)，具體分析各動(dòng)力元件的影響因素，對其參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，最終確定各部件參數(shù).采用CRUISE軟件建立整車模型，設(shè)定具體計(jì)算任務(wù)進(jìn)行模擬仿真運(yùn)算，通過仿真結(jié)果對各指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)和估計(jì)，來驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性.當(dāng)仿真結(jié)果與目標(biāo)值存在出入時(shí)，可通過修改參數(shù)再次進(jìn)行計(jì)算分析，最終得到理想的參數(shù)值.

本文針對純電動(dòng)大客車動(dòng)力系統(tǒng)匹配提出的設(shè)計(jì)與仿真方法，能夠迅速對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，簡化了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的繁雜驗(yàn)證過程并降低了研發(fā)成本，對新型汽車的開發(fā)與研究具有一定的理論指導(dǎo)意義.

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(編輯：郝秀清)