純電動客車動力匹配與仿真研究

童寒川+夏偉

摘 要：文章根據純電動客車的整車尺寸參數和設計要求，分析計算動力源的需求功率及其它主要部件的理論參數，在滿足車輛動力性和經濟性指標的前提下，對整車動力系統進行了參數匹配。并在CRUISE軟件環境中搭建純電動客車的仿真模型，設定仿真計算任務，對整車的動力性和經濟性進行仿真計算， 同時分析了不同傳動比對整車動力性和經濟性的影響。驗證了動力系統參數匹配設計的正確性和可行性，為純電動客車動力系統的設計和研發提供依據。

關鍵詞：純電動客車；動力系統；CRUISE；仿真；參數匹配

中圖分類號：U270.7 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）05-0025-05

Research on Power matching and Simulation of Pure Electric Bus

TONG Han-chuan1， XIA Wei2

（ 1 .Automotive Technology and Service School， Wuhan City Vocational College， Wuhan430064， China； 2.Automotive Engineering School， Wuhan University of Technology， Wuhan430070， China ）

Abstract： Based on the vehicle shape size parameters and design requirements， the required power of electromotor and the theoretical parameters of other units have been analyzed and calculated. The result of simulation showed that the indexes for powerful performance and fuel economy of the pure electric bus can meet the design requirements. The research provided some scientific guidelines and valuable references for the design and development of the pure electric bus.

Key Words： Pure Electric Bus； Power System； CRUISE； Simulation； Parameter Matching

引 言

近年來，汽車在人們生活中不斷普及，人類的生產與生活已經變得越來越離不開汽車。人們在享受汽車所帶來便利的同時，也在時刻面對著汽車行業高速發展所帶來的各種負面影響，主要包括環境污染日益加劇、石油資源日益短缺、道路交通事故頻發等方面的嚴峻挑戰[1-3]。根據中國產業信息網發布的《2015-2020年中國汽車整車制造市場評估及投資前景預測報告》顯示，我國總的汽車保有量已經突破了1.63億輛，僅次于美國。汽車燃油消耗約占我國石油消耗總量的三分之一以上，是我國最大的石油能源消耗產業之一，也是最大有害氣體排放能源之一[4]。在這樣的大背景下，我國科技部在國家高技術研究發展計劃（又稱863計劃）有關電動汽車的重大專項中，明確指出了研發新能源汽車是我國現階段堅持能源可持續發展和汽車工業可持續發展的重要政策，并且根據國情制定了我國關于新能源汽車的具體研發目標[5，6]。

車輛經濟性、動力性的評價是由實車的道路測試或臺架試驗得到的，但是由于動力系統匹配方案和各主要傳動部件的參數變化多樣，通過制造實車來進行試驗不僅會增加大量的費用，而且會大大延長設計周期[7，8]。因此，在產品開發設計的初級階段，利用計算機對車輛的各部件進行建模，并且對各種不同的路況進行模擬仿真，從而找到最佳方案。不僅減小了車輛設計上的盲目性、有效縮短車輛研發周期，而且節約了相關研發成本、其仿真結果也可以為實車試驗提供重要的參考依據。

1 純電動客車參數匹配研究方法

為了滿足純電動客車的動力性并提高其經濟性，在車輛設計前期進行參數匹配選型計算是很有必要的。在車輛設計的初期，通過對設計參數的計算，對車輛的動力性和經濟性評價指標做出預測，具有很重大的現實意義。目前主流的計算方法有以下幾種：

汽車理論分析法。這是比較基礎的一種方法，運用汽車理論的相關知識，建立不同設計需求下的功率平衡公式，根據車輛尺寸等基本參數和設計要求對相應功率需求進行計算，確定各部件的參數及選型[9]。這種方法的優點在于原理簡單、方便易行，但過于理論化，會與實際情況有較大的誤差。

②車輛行駛工況法。特指某一類型的車輛如家用小轎車、城市公交車、重型運輸車等，在某一特定交通環境下，用來描述車輛包含行駛距離、速度和加速度隨時間變化的曲線，目前主流的行駛工況包括美國行駛工況標準（USDC）、歐洲行駛工況標準（EDC）和日本行駛工況標準（JDC）。這種方法的優點在于能夠在滿足設計要求的基礎上做到一定的優化，缺點在于過程反復，當校核的結果不符合設計要求時，需要重復修改參數直到達到設計目標為止[10]。

③建模仿真分析法。當需要對車輛進行更加精細的分析計算的時候，以上兩種方法就存在明顯不足，需要輔助使用現代計算機技術，與仿真系統的控制理論相結合，并借用統計數據和實踐經驗等，對車輛的整車模型、動力性、經濟性和道路工況等進行模擬和仿真，準確描述整車的性能，確定動力總成的匹配關系，驗證整車動力系統參數匹配設計的正確性[11]。目前，比較流行的運用于新能源汽車的仿真系統軟件主要包括ADVISOR、EASY5、PAST、V-ELPH、VehProp、Matlab/Simulink以及本文將會用到的CRUISE軟件等[12，13]。利用這種方法，不僅可以大大提高車輛的動力性和經濟性，而且能夠有效的縮短車輛的研究開發周期，在激烈的市場競爭中搶占先機[11，12]。endprint

由以上各方法的優勢及不足，參考國內外的相關研究項目，最終擬定以下研究方法：

根據純電動客車的整車尺寸參數和設計要求，分析計算動力源的需求功率及其它主要部件的理論參數，對整車動力系統進行了參數匹配。

在CRUISE軟件環境中搭建純電動客車的仿真模型，設定仿真計算任務，對整車的動力性和經濟性進行仿真計算，驗證動力系統參數匹配設計的正確性和可行性。

2 動力傳動系統參數匹配

動力傳動系統參數匹配設計的好壞不僅直接決定車輛的整車動力性能和經濟性能是否能滿足設計要求，并為CRUISE軟件環境中純電動客車模型的搭建做好了參數準備。

2.1 整車參數和性能要求

以純電動客車為研究對象，根據整車參數及相關性能要求，對其進行動力系統的參數匹配設計。整車的部分參數如表1所示：

純電動客車動力系統的匹配設計主要影響整車動力性和經濟性。目標車型動力性能的設計要求為0～50km/h加速時間、車輛最高車速和車輛在15km/h時的最大爬坡度，經濟性能的設計要求為車輛在40km/h勻速行駛時的續駛里程。具體的性能設計要求如表2所示：

2.2 電動機功率參數匹配

電動機是純電動客車的唯一動力源，對其進行參數匹配的方法大致和傳統內燃機汽車一致，即在滿足車輛動力性能的前提下，根據計算來確定其所需提供的功率。整車動力性能的評價指標主要有三個，分別計算出滿足這三個評價指標時車輛所需的功率，便可以大致確定電動機的功率等相關參數。

根據汽車動力學理論[9]，由汽車車輪的驅動力 、需要提供給驅動輪的功率 ，最終推導出電動機需要提供的總功率 如下：

式中：m-車輛質量；f-車輛的滾動阻力系數；v-車速；α-坡度角；CD-空氣阻力系數；A-車輛迎風面積；δ-旋轉質量換算系數；Pt-車輛驅動輪所需功率；P-電動機所需要輸出的總功率；η-傳動系統效率。

分別滿足最高車速、加速性能、爬坡性能三個動力性能指標要求時，電動機所需提供的總功率計算公式如下：

式中：vmax-最高車速；δ-車輛旋轉質量換算系數，取1.05；vm-車輛加速的目標速度；tm-車輛加速所需時間；αmax-車輛的最大爬坡度；vi -車輛爬坡時的速度。

分別將指標參數帶入以上公式可得：

Pmax1=52.3kw； Pmax2=70.7kw；Pmax3=64.8kw。

考慮到純電動客車空調及風扇燈附件的功率消耗，最終確定電動機所需總功率為：

P≥max （Pmax1，Pmax2，Pmax3 ）=80kw

從備選電動機中進行選擇，選定電動機的主要相關參數如表3所示：

電動機的特性曲線如圖1所示：

2.3 傳動比的匹配

車輛配備減速器和變速箱的目的，是為了減速增矩，以應對起步、加速和爬坡等需要高轉矩的行駛工況。為了增大電動機的選擇范圍，提升純電動客車整車的動力性能，我們選擇配備一個三擋變速箱。通過調節電動機在高效率區間工作，優化車輛的經濟性能。

車輛的總傳動比it=i0 ig，其中i0為主減速器傳動比，其值固定不變，ig為變速器傳動比，對應不同的擋位有不同的值。分別將最高車速和最大爬坡度當作限制條件，來確定車輛傳動比的設計范圍。

當車輛為最小傳動比時，變速器一般為直接擋，傳動比為1，進而確定主減速器的傳動比i0。其邊界條件如下：

i0≤0.377 （nmax?r）/vmax

式中：nmax-最高轉速；r-輪胎滾動半徑；vmax-最高行駛車速。

為了使電動機在以最高車速行駛時，能夠有較高的工作效率，主減速器的傳動比i_0還應滿足如下條件：

式中：nep 為電機最大功率點轉速。

將各參數的值帶入計算得：

4.02≤i0≤6.26

結合驅動車橋選型，取i0= 4.875。

主減速器傳動比確定后，根據車輛的最大爬坡度確定其最大傳動比，具體條件如下：

式中：α-最大爬坡度。

計算可得：ig1≥2.41。

我們設定變速器共有三個擋位，其最小傳動比為直接擋，即ig3=1，結合變速箱選型，最終確定的傳動比參數如表4所示：

2.4 電池參數的匹配

目標車輛的經濟性能指標為：40km/h速度勻速行駛時的續駛里程（按照電池總能量釋放90%計算）。車輛在以某一速度勻速行駛的情況下，續駛里程s（單位為km）如下：

式中：EB為電池總能量；ηmc為電動機及其控制器效率，取0.9；ηq為電池平均放電效率，取0.95。

將車輛經濟性能設計要求帶入式中，可以算出電池所需的總能量EB需要達到107 kw?h，又鑒于所選電動機的額定電壓為538V，最終所選電池參數如表5所示：

3 純電動客車整車模型建立

由于純電動客車的整車模型的動力傳統系統具有動態性、復雜性的特點，這也就使得傳統的模擬算法難以對整車的動力性能和經濟性能做出準確的評價，因此，我們需要借助更為先進的計算機仿真軟件CRUISE，對純電動客車進行整車的動力性能和經濟性能的仿真研究。圖2所示為CRUISE環境中搭建的整車模型。根據其動力傳動系統的構成及動力傳遞方向，依次包括：電池、驅動電機、變速器、主減速器、分動器、車輪及控制部件。

整車模型搭建以后，要進行組件參數設置。在上述仿真模型中，根據整車外形尺寸及設計要求，以及上述各組件選型參數，對各組件進行參數設置。圖3及圖4所示為特性曲線及電機特性三維示意圖。

除此之外，還要對整車模型中的主減速器、變速箱進行傳動比的設置，具體參數前文已述及。endprint

4 仿真結果分析

4.1 動力性能分析

汽車的動力性能是評價汽車整體性能好壞的決定性因素之一，純電動客車作為一種公共交通工具，其工作效率的高低與車輛的動力性能好壞有著直接的關系。

（1）最高車速。圖5給出了CRUISE軟件對最高車速的計算任務仿真計算所得到的結果，包括三個擋位下車輛的最高車速及最高車速所對應的電動機轉速。由圖5可得，純電動客車在三擋時的最高車速達到了89km/h，達到了預期的70 km/h的最高車速設計要求。

（2）0～50km/h加速時間。圖6給出了加速時間、車速、行駛距離三者與行駛時間的對應關系曲線。圖中可以讀出0～50km/h加速時間為13.25s，滿足預期20s的設計要求。純電動客車在整個起步加速的過程中，車速變化較為平穩，說明車輛動力輸出穩定。加速度隨檔位升高而減小，其中1擋加速度最大，也與車輛實際換擋規律相符。

（3）15km/h的最大爬坡度。如圖7所示，純電動客車在1檔以15km/h的速度行駛時，所能達到的最大爬坡度為18.86%，達到了預期的15%爬坡度的設計要求。圖中還可以看出，各車速下2、3檔位的爬坡度明顯低于第一檔，這也符合車輛行駛規律。

（4）典型工況。圖8為該循環行駛工況下車輛行駛距離、車速、加速度與時間的對應曲線。圖9為行駛過程中車輛當前車速與預計車速的對比曲線圖。由圖可知，當前車速與預計車速基本吻合，整個行駛過程中車速變化平穩。由此可得其控制方法合理，各傳動速比設計合理。

綜上所述，將各項計算任務所得結果與設計要求相對比，得到的結果如表6所示：

從表6的數據可以看出，利用CRUISE軟件仿真計算所得的純電動客車各項動力性能指標基本滿足了整車的設計要求，驗證了動力系統參數匹配設計的正確性。

4.2 經濟性能分析

純電動客車與傳統內燃機汽車的經濟性能評價指標不同，純電動客車的經濟性能以車輛保持40km/h的速度勻速行駛時的續駛里程為評價指標。

圖10給出了電池荷電狀態（SOC）和行駛距離隨時間的變化曲線。車輛開始行駛時電池SOC為90%，行駛結束時為10%，行駛距離為231.29km，滿足車輛預期的200km續駛里程設計要求。

4.3 傳動比分析

通過上文的計算分析，可以初步確定整車的動力性和經濟性表現基本滿足預期的設計要求，這里我們對不同的傳動比設計方案分別進行仿真計算，分析不同傳動比匹配設計對整車動力性能和經濟性能的影響。

上文提到，確定整車的最大傳動比和最小傳動比以后，設計中間的傳動比時一般有三種情況：ig1/ig2>ig2/ig3、ig1/ig2=ig2/ig3和ig1/ig2

利用CRUISE軟件，對以上五種方案分別進行動力性能和經濟性能的仿真計算，得到的仿真計算結果如表8所示：

將最初方案與方案1和方案2對比，可以發現，當傳動系統的最大傳動比和最小傳動比一定時，改變中間的傳動比不會對整車的最高車速和最大爬坡度產生影響。改變中間傳動比會對加速時間產生一定的影響，這是因為在整個0～50km/h的加速過程中，車輛在中間擋位時的行駛狀況不一樣，但是也并不是中間擋為的傳動比越大，加速性能越好，這是因為加速過程中的換擋規律會不一樣，在中間擋位停留的時間不一樣。如圖11所示，為三個方案的加速度曲線，由圖可以看出，在中間擋，方案2的加速度最大，最初方案的加速度最小，加速度大小關系與三種方案的中間擋位傳動比大小關系一致，符合實際情況，與上文的分析相吻合。

將最初方案與方案3對比，可以發現，增加主減速器傳動比，變速器傳動比設計不變的情況下，最大傳動比和最小傳動比都變大了。最大傳動比變大，所以方案三的車輛的爬坡性能得到了提高；最小傳動比變大，所以車輛的最高車速有了一定程度的降低。方案三里車輛的加速時間也變短了，這是因為與方案1和方案2不同，方案3與最初方案相比，三個擋位的傳動比都變大了，車輛的動力因素D也變大了，車輛的加速性能也隨之提高。方案3的各方面動力性能都要好于原方案設計。

將方案1與方案4對比，可以發現，主減速器傳動比不變，增大了一擋傳動比，傳動比設計規律不變，最大傳動比增大，最小傳動比不變。最大傳動比增大，所以爬坡度增加了；最小傳動比不變，所以最高車速保持不變。方案4的車輛爬坡性、加速性能要好于方案1，這是因為方案4車輛的整體傳動比設計要大于方案1。

綜上所述，在其它條件不變時，適當增大主減速器傳動比，可以增強車輛的爬坡性能和加速性能；可以通過優化最小傳動比，使電動機保持在高效率區間附近工作，優化車輛經濟性能。仿真計算所得的結果與現實情況相符，驗證了匹配設計和利用CRUISE軟件進行仿真計算的正確性。

5 結論

根據純電動客車整車參數的相關要求，以車輛動力性和經濟性指標為限制條件，完成了對整車動力系統理論上的參數匹配，并根據所得參數結果，對動力系統主要部件進行了選型。運用CRUISE仿真軟件搭建純電動客車的車輛模型。完成了對整車動力性能和經濟性能的仿真計算，對計算結果進行了分析，驗證了純電動客車參數匹配設計的正確性和利用CRUISE軟件對純電動客車進行建模與仿真的可行性。并在此基礎上計算研究了不同傳動比設計對整車的性能影響，提出了最優變速比匹配。

最終采用的優化方案中，在保證最高車速和行駛里程設計要求的前提下，將0～50km/h加速時間縮短至13.02s， 15km/h最大爬坡度提升至19.91%。

以上研究內容為純電動客車動力系統的匹配設計和利用CRUISE軟件對純電動客車進行建模仿真研究提供依據。

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