電動客車驅動電機系統與動力性匹配分析

【摘" 要】首先對道路設計規范和汽車行駛工況分析，得出電動客車動力性設計指標；同時建立電動客車動力性計算模型，計算、分析驅動電機轉速、功率、轉矩，并給出驅動電機控制器的匹配分析；最后用MATLAB進行整車動力性仿真分析及測試驗證。

【關鍵詞】電動客車；驅動電機系統；整車動力性；匹配分析

中圖分類號：U469.72" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2022 ）12-0013-05

Matching Analysis of Driving Motor System and Power Performance of Electric Bus

TANG Yu-liang

（Guangxi College of Technology，Guigang 537110，China）

【Abstract】Firstly，the road design specifications and vehicle driving conditions are analyzed，and the dynamic design index of electric bus is obtained；At the same time，the power calculation model of the electric bus is established，the speed，power and torque of the drive motor are calculated and analyzed，and the matching analysis of the drive motor controller is given. Finally，the dynamic performance of the whole vehicle is simulated and tested with MATLAB.

【Key words】electric bus；drive motor system；vehicle power performance；matching analysis

從汽車發展趨勢看，發展電動汽車是提高汽車產業競爭力、保障能源安全和發展低碳經濟的重要途徑。通過近幾年電動城市客車的大力推廣，車輛續航里程提升、成本下降、可靠性提高等有大幅改善。針對公路客運、旅游團體、商務接待、企事業通勤等客運市場，運輸公司選擇電動客車也在加速。驅動電機系統與整車是否匹配，直接影響到整車的動力性、舒適性、續航能力等。本文以一款8.1m電動客車為例，對驅動電機系統與整車動力性進行匹配、計算，并用MATLAB進行仿真分析。

1" 道路設計規范和汽車行駛工況分析

1.1" 城市道路和公路設計規范、標準

根據文獻[1]的相關要求，機動車道最大縱坡應分別符合表1的規定。

根據文獻[2]的相關要求，公路最大縱坡和不同縱坡的最大坡長應分別符合表2和表3的規定。

從上面3個表可以看出，城市道路最大縱坡為8%，公路最大縱坡為10%。

1.2" 高速公路對車速要求

根據文獻[3]的相關要求：第七十八條 高速公路上行駛的小型載客汽車最高車速不得超過每小時120km，其他機動車不得超過每小時100km。

1.3" 中國客車行駛工況

根據文獻[4]的相關要求，中國客車行駛工況（CHTC-C）包括市區（1部）、城郊（2部）和高速（3部）3個速度區間，工況曲線如圖1所示。0—50km/h、30—80km/h加速時間用時最少，分別為20s、38s，發生在第3部。在電動客車動力性能參數匹配設計時，需符合本工況要求。

1.4" 電動客車動力性指標

根據道路設計規范、客車行駛工況，結合電動客車應用場景，電動客車動力性指標見表4。

2" 驅動電機系統的定義、組成及轉速特性

2.1" 驅動電機系統的定義

驅動電機系統是指由驅動電機、驅動電機控制器及它們工作必需的輔助裝置的組合。通常來說，驅動電機系統是指驅動電機、驅動電機控制器兩部分。驅動電機是將電能轉換成機械能為車輛行駛提供驅動力的電氣裝置。驅動電機控制器是控制動力電源與驅動電機之間能量傳輸的裝置[5]。

2.2" 驅動電機系統結構組成

驅動電機系統結構如圖2所示。

2.3" 驅動電機的轉速特性

電動客車對驅動電機的要求是：爬坡時能提供較大轉矩，加速時能提供較大功率，并能提供較寬的調速范圍。驅動電機性能參數設計是否合理，是整車動力性能首要考慮的問題。驅動電機在額定轉速以下，以恒轉矩模式工作；在額定轉速以上，以恒功率模式工作[6]。

假設驅動電機具有理想的工作特性，其驅動電機外特性曲線如圖3所示，nb為電機額定轉速（基速）。

驅動電機的功率、轉矩與轉速之間的關系：

3" 整車主要參數及開發流程圖

以8.1m純電動客車為例，給出整車、動力性參數及驅動電機系統與整車動力性設計流程。

3.1" 整車主要參數（表5）

3.2" 驅動電機系統與整車動力性匹配流程分析

先從電動客車行駛工況和整車動力性要求出發，初步確定電機性能參數，再運用MATLAB對整車動力性進行仿真分析直到滿足設計要求。驅動電機系統與整車動力性匹配設計流程如圖4所示。

4" 驅動電機系統設計

電動客車行駛方程式：

由上面方程計算驅動電機系統相關參數，以確保驅動電機性能滿足整車動力性要求。

4.1" 驅動電機性能參數

本文中所引用的符號、單位及意義見表6。

4.1.1" 電機最高轉速

根據整車最高車速計算電機最高轉速[7]：

依據設計經驗，一般考慮最高車速對應電動機轉速為其最高轉速的90%～95%即可，所以電機最高轉速nmax取3000r/min。

4.1.2" 電機額定轉速

結合車輛用途，考慮城市工況，用常規車速（uae=40km/h）來計算電機額定轉速：

4.1.3" 額定功率

綜合考慮電動客車使用工況，一般以整車在平直路面上的最高車速行駛時的需求功率為電機額定功率。另將道路坡度不高于4%、12%及最大爬坡坡度與所對應車速所需的功率作為額定功率檢驗值。

1）以最高車速行駛時驅動電機所需功率

2）按擬定車速能持續爬上一定坡度時驅動電機所需功率

因此，驅動電機額定功率能同時滿足上述的功率需求，即：

4.1.4" 額定轉矩

電機額定轉矩設計時，根據額定功率進行匹配。

4.1.5" 電機峰值轉矩

電機的峰值轉矩一般出現在整車的爬坡和急加速工況。

1）最大爬坡度求Ttqimax

2）加速時間求轉矩Ttqjmax

當電機以最大轉矩輸出時，0—40km/h（電機基速對應的車速）加速時間最短（設計要求是10s）。

經上面計算可知：

4.1.6" 電機峰值功率

根據整車最大爬坡度和加速性能來計算電機的峰值功率[7]。

1）最大爬坡度（imax=20%@15km/h）時功率

2）加速性能計算電機峰值功率

當整車車速對應電機的轉速小于、等于電機基速時，電機轉速在恒轉矩區，電機以最大轉矩輸出，此時車輛獲得的加速時間最短。

當整車車速對應電機的轉速大于電機基速時，電機轉速在恒功率區，電機以最大功率輸出，此時車輛獲得的加速時間最短。由于加速過程電機輸出功率為恒功率，則整個加速過程的電機動力輸出的平均功率與最大功率相同[8]，即

上式化簡，得到計算電機最大功率公式：

0—40km/h（電機基速對應的車速）加速時間為5.64s。

0—50km/h加速時間要求15s，40—50km/h區域為恒功率區，其加速時間為15-5.64=9.36s，此時電機最大功率66.0kW。

30—80km/h加速時間要求20s，0—30km/h恒轉矩區加速時間4.22， 30—40km/h為恒轉矩區加速時間5.64-4.22=1.42s，40—80km/h區域為恒功率區，其加速時間為20-1.42=18.58s，此時電機最大功率163.1kW。

0—100km/h加速時間要求30s，40—100km/h區域為恒功率區，其加速時間為30-5.64=24.36s，此時電機最大功率221.2kW。

經上文計算可以看出電機峰值功率取最大爬坡功率、加速時間功率的最大值，方能滿足要求，即：

所以驅動電機峰值功率Pmax取值大于221.1kW。

4.1.7" 驅動電機選型

驅動電機系統需滿足頻繁起/停、加/減速，符合低速大轉矩起步、爬坡，高速小轉矩行駛，具有寬廣調速范圍、功率密度大、效率高等特點。目前電動客車常采用交流異步電機、永磁同步電機，因此8.1m電動客車最終選擇永磁同步電機、直驅，其參數見表7。

4.2" 驅動電機控制器的匹配分析

電機控制器是電動汽車核心零部件，決定了整車動力性、可靠性、安全性。在其匹配設計時，要依據電機類型、額定/峰值功率、額定/峰值轉矩、相電流及持續工作時間等參數以及動力電池系統的電壓等，滿足輸出功率充足性、電流曲線合理性、制動能量回饋平滑性，保證能發揮出所搭配驅動電機的動力性。電機控制器與電機主要性能參數的匹配見表8。

根據文獻[5]中相關要求，驅動電機系統直流母線額定電壓取以下等級：36V、48V、60V、72V、80V、120V、144V*、168V、192V、216V、240V、264V、288V*、312V*、336V*、360V、384V*、408V、540V、600V*、650V、700V、750V（注：標有*的為優先等級）。

電動客車常用電壓等級320V、400V、480V、500V、520V、540V、600V、650V。在輸出功率一定的條件下，電流會隨電壓升高而減少。電壓等級越高，獲取同等功率時電流越小，同時整車絕緣要求、車輛防護、線路絕緣等級及絕緣性能要求更高，成本也會相應增加。

驅動電機控制器的額定/最大容量大于驅動電機的額定/峰值功率。本車型選用整車動力電池系統電壓為520V，驅動電機控制器的參數見表9。

5" 運用MATLAB對整車動力性仿真分析及驅動電機系統裝車驗證

建立整車動力性數學模型，運用MATLAB對整車動力性進行仿真分析，并繪制相關函數曲線。

5.1" 最高車速仿真分析

最高車速是指在水平良好的路面（混泥土或瀝青）上汽車能達到的最高行駛車速[9]。電動客車最高車速取決于驅動電機最高轉速和功率、動力電池的放電功率以及客車的最小減速比。

當驅動力曲線與行駛阻力曲線有交點，交點所對應的車速便是汽車最高車速[10]，最高車速應符合以下方程：

當驅動力始終大于行駛阻力時，驅動力曲線與行駛阻力曲線無交點時，電動汽車的最高車速由電機的最高轉速決定[10]，即

汽車驅動力-行駛阻力平衡如圖5所示，圖中最高車速為113km/h。

5.2" 最大爬坡度仿真分析

汽車的上坡能力是用滿載時汽車在良好路面上的最大爬坡度來表示。對于電動客車，其最大爬坡度一般要求≥20%，電動客車爬坡度的大小與驅動電機的最大轉矩特性和短時過載能力相關。

爬坡度曲線如圖6所示，圖中最大爬坡度為20.5%（@19.4km/h）。

5.3nbsp; 加速性能仿真分析

汽車的加速性能用加速時間來衡量，常用原地起步加速時間與超車加速時間來表明汽車的加速能力。電動客車的加速性能由驅動電機的啟動性能和短時過載能力決定。由汽車運動學可知：

加速時間用計算機進行積分計算或圖解積分法求出。下面提供一種測算指定車速加速時間的公式：

汽車加速度、加速時間曲線如圖7和圖8所示，0—50km/h、30—80km/h、0—100km/h加速時間分別為7.0s、10.7s、23.3s。

5.4" 驅動電機系統裝車測試驗證分析

通過上述對驅動電機系統與整車動力性計算、仿真分析，理論上符合整車技術要求；同時對整車動力性指標進行實測驗證，表明所匹配的驅動電機系統滿足整車動力性，符合設計要求。整車動力性參數對比分析見表10。

6" 結束語

通過對路況和客車行駛工況分析，運用微分方程建立電動客車動力性、驅動電機性能參數計算模型，對驅動電機轉速、功率、轉矩進行計算、分析，并用MATLAB軟件進行仿真分析，結果表明本匹配設計方案符合整車動力性要求，為電動客車的研究提供必要的設計經驗和理論基礎。

參考文獻：

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[5] GB/T 18488.1—2015電動汽車用驅動電機系統 第1部分 技術條件[S]. 北京：中國標準出版社，2015：1.

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[8] 曾小華，王慶年，宋大鳳. 汽車功率需求的簡單求解方法[J]. 吉林：吉林大學學報，2011，41（3）：613-617.

[9] 余志生. 汽車理論：第6版[M]. 北京：機械工業出版社，2018：1.

[10] 崔勝民. 基于MATLAB的新能源汽車仿真分析[M]. 北京：化學工業出版社，2020：78.

（編輯" 楊" 景）