城市純電動公交動力系統參數匹配與仿真*

田韶鵬　譚榮遠

(武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1)　武漢　430070) (武漢理工大學汽車零部件技術湖北省協同創新中心2)　武漢　430070)

城市純電動公交動力系統參數匹配與仿真*

田韶鵬1,2)譚榮遠1,2)

(武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1)武漢430070) (武漢理工大學汽車零部件技術湖北省協同創新中心2)武漢430070)

摘要：以一款純電動公交車輛為例，根據車輛的動力性能要求，對車輛的動力系統參數進行匹配，運用Cruise軟件搭建整車仿真模型，分別對帶有固定速比和四擋變速器兩種傳動系統結構的車輛進行仿真分析，在滿足設計要求的前提下，對比分析了2種車型的動力性能和經濟性能.

關鍵詞：電動汽車；動力系統；參數匹配；變速器；仿真

純電動汽車相比于傳統汽車具有結構簡單、無排放污染、噪聲低、能量轉換效率高等顯著優點[1].但目前純電動汽車的發展還有許多不足，如研發與制造成本高、充電時間長、續駛里程短等都極大地制約了純電動汽車的興起與推廣.純電動汽車的動力來源于電動機，相比于傳統車輛的內燃機，電動機的運轉更為平穩，轉速控制方便，因而純電動車輛可以采用固定速比的直驅傳動方式，減少了車輛的制造成本并免去了對變速器的復雜控制.但直驅車輛對復雜工況的適應能力差，爬坡能力不強，驅動電機的運轉工況較為分散，無法集中在高效率區，從而影響了整車的經濟性能.配備適當速比的變速器能夠有效調節驅動電機的工作區間，增強車輛的爬坡能力，進而提升動力性能和經濟性能.Cruise軟件可以用于傳統汽車及新能源汽車的動力系統、傳動系統、尾氣排放系統的輔助開發以及整車性能的仿真與優化，運用軟件進行模擬仿真可以大量節省原型試驗所需的成本，縮短產品設計周期.

1整車參數和設計要求

1.1參考車輛的動力系統結構

選用純電動城市客車作為參考車輛，該車沿用了傳統車輛的動力系統結構，將輸出動力源內燃機改成了驅動電機，采用后輪驅動的方式，參考車輛動力系統結構簡圖見圖1.

圖1　參考車輛動力系統結構簡圖

1.2參考車輛的整車參數

所選參考車輛的基本參數見表1.

表1　整車參數

1.3整車性能設計要求

依據車輛在中國典型城市工況下的運行特點，給定了城市純電動公交客車性能的設計要求，見表2.

表2　整車性能設計要求

2動力系統參數匹配

2.1驅動電機參數匹配

驅動電機作為純電動汽車的惟一動力來源，它的性能在很大程度上決定了純電動汽車整車的性能.因此，驅電動機的合理選擇及參數匹配，是純電動汽車動力系統的研究設計與性能優化的關鍵因素.

2.1.1電機功率的確定

電動機具有一定的效率特性，在特定的轉速和轉矩條件下對應特定的效率.由于車載動力電池所攜帶的能量是有限的，在選擇驅動電機時，盡量使驅電動機在實際工作過程中經常處于高效率的范圍內，以獲得較高的能量轉化效率.

1) 根據最高車速選擇電動機功率在選擇驅動電機功率時既要使整車具有正常的車速，也要根據車輛的用途，使電動機經常于較高負荷條件下運行，并且能使車輛在良好的工況下能夠以較高的車速行駛[2].對于城市純電動公交客車而言，以中低速行駛的工況占有很大的比例，因此電動機的功率不宜選得過大，否則會使電動機經常工作于低負荷、低效率區，整車能量利用率低.根據所要求達到的最高車速，可以初步選定電動機所需的功率[3].

(1)

式中:P1為驅動電機額定功率，kW；m為整車質量，kg；η為傳動系統機械效率；f為滾動阻力系數；A為車輛迎風面積，m2；vmax為最高車速，km·h-1；CD為風阻系數.

2) 根據加速性能選擇電動機功率所選驅動電機的功率越大，車輛的后備功率越大，加速性能越好.但電動機功率增大其重量也會大大增加，增加電動汽車的能量消耗.電動汽車在ta時間內，在水平路面上從靜止加速到v所需的功率P2為

(2)

式中：P2為滿足加速性能所需的電動機峰值功率，kW；δ為旋轉質量換算系數.

3) 根據爬坡性能選擇電動機功率所選用的電動機應保證電動汽車在某一最小車速vc(取15 km·h-1)時能夠爬上一定的坡度i，此時電動機所需功率可由式(3)估算得出.

(3)

式中：P3為爬坡時所需的電動機峰值功率，kW；i為爬坡度，%.

純電動汽車驅動電機的峰值功率應能同時滿足最高車速、加速性能，以及爬坡性能的要求，所以驅動電機的峰值功率應取[4-5]

(4)

2.1.2電動機額定電壓的選擇

額定電壓是電動機的一項重要性能參數，通常是由所選電機的參數決定的.純電動汽車驅動電機的額定電壓與車載電池組的電壓密切相關.相同輸出功率下，如果電池組電壓高，則放電電流較小，對電器元件的要求也會隨之降低.但高電壓意味著需要串聯更多的單體電池，不僅增加了電池組的重量，由于單體電池不均勻性帶來的影響也會上升.電壓過低時，車輛工作電流較高，對連接導線的要求高，損耗功率上升.

因此，合理選擇電動機的額定電壓對提高電動汽車的整車性能具有重要意義.結合所選電動機的功率值，電動機的額定電壓選為400 V.綜合上述結果，電動機的基本參數見表3.

表3　驅動電機基本參數

2.2動力電池參數匹配

當電動汽車以車速v0(取40 km·h-1)勻速行駛時，電動機所需的功率可由式(5)計算.

(5)

式中：P0為車輛以40 km·h-1勻速行駛時所需的理論功率,kW.

電動汽車行駛S(單位：km)所需的總能量W0為[6-7]

(6)

車載電池組所能攜帶的總能量W為

W = U·C/1 000kWh

(7)

式中：U為電池組平均工作電壓，V；C為電池組總容量，Ah.

為避免動力電池組的過充電與過放電行為，將電池組的起始放電SOC(state of charge, SOC)值設定為90%，終止放電SOC值設定為10%，電池組容量為

(8)

初步估算出所需要的電池組容量約為300 Ah.

2.3傳動比參數匹配

2.3.1最小傳動比的選擇

最小傳動比是根據電動汽車的最高車速和驅動電機的最高轉速來確定的.

(9)

式中：nmax為電機的最高轉速，r·min-1；imin為最小傳動比；r為車輪滾動半徑.

2.3.2最大傳動比的選擇

對于配備了多檔位變速器的電動汽車傳動系統，其最大傳動比即為變速器I檔傳動比i1與主減速器傳動比i0的乘積.

1) 車輛在爬坡時車速較低，空氣阻力相比與爬坡阻力可忽略不計，汽車的最大驅動力為

(10)

即

(11)

(12)

式中：Ff為滾動阻力，N；Fimax為坡度阻力，N；αmax為最大爬坡度；Tm為最高轉矩，Nm.

2) 確定最大傳動比后應該驗證是否滿足附著條件，即

(13)

式中：Fz為驅動輪受到的地面垂直反力；φ為附著系數，取0.5～0.6.

傳動比匹配結果見表4.

3在Cruise中建模與仿真

3.1整車模型的建立

依據電動汽車的結構，將車輛各個部件模塊逐一添加至Cruise建模平臺中，建立正確的電氣連接與機械連接，隨后將完整的數據輸入到各個模塊中，設置所需的計算任務并開始進行仿真計算.模型中包括整車參數模塊、變速器模塊、主減速器模塊、車輪模塊、制動器模塊、驅動電機模塊、差速器模塊、駕駛員模塊、防滑模塊、電耗單元模塊、電池模塊、制動控制模塊、驅動控制模塊、監控模塊、常數設置模塊等.

表4　傳動比匹配結果

3.2計算任務的設定

動力性能和經濟性能是評價車輛性能優劣的主要依據.本次分析中純電動公交客車的主要計算任務包括在中國典型城市公交循環工況下的仿真計算、40 km·h-1勻速工況下的仿真計算、0～50 km·h-1加速時間計算、最大爬坡度的計算，以及最高車速的計算等.

中國典型城市循環工況總行駛里程約為5.9 km，歷時1 314 s，最高車速60 km·h-1，具體工況見圖2.

圖2　中國典型城市公交工況

4計算結果分析

4.1固定速比車型仿真結果

圖3為固定速比純電動公交客車的爬坡性能曲線.由圖3可見，該車在車速15 km·h-1時爬坡度約為15.4%，滿足爬坡性能的設計要求.

圖3　固定速比車型爬坡性能曲線

圖4為車輛加速性能曲線，由圖4可見，該車從速度為零加速到50 km·h-1所需時間為14.81 s，滿足車輛的加速性能要求.

圖4　固定速比車型加速性能曲線

圖5為在40 km·h-1勻速工況下動力電池SOC變化曲線.由圖5可以得出該車續駛里程為222.3 km，滿足了車輛續駛里程的要求.

圖5　固定速比車型勻速工況電池SOC變化曲線

4.2帶變速器車型仿真結果

圖6為帶有變速器的純電動公交客車的爬坡性能曲線.由圖6可見，該車在車速15 km·h-1時爬坡度約為26%，爬坡性能相對于固定速比車型有大幅提升.

圖6　帶變速器車型爬坡性能曲線

圖7為車輛加速性能曲線.由圖7可見，該車從速度為零加速到50 km·h-1所需時間為12.09 s，滿足車輛的加速性能指標.

圖7　帶變速器車型加速性能曲線

圖8為在40 km·h-1勻速工況下動力電池SOC變化曲線.由圖8可見，該車續駛里程為228.8 km，滿足了車輛續駛里程的要求.

圖8　帶變速器車型勻速工況電池SOC變化曲線

4.3對比分析

將2種車型仿真結果進行數據處理后進行對比，結果見表5.

表5　仿真結果對比

由仿真結果可得，2種車型的各項性能指標均滿足設計要求.與固定速比的純電動公交客車相比，配備有變速器的純電動公交客車在動力性能和經濟性能上都有所提升，循環工況下電耗降低1.68%，40 km·h-1勻速工況下電耗降低2.84%.

5結 束 語

根據城市純電動公交客車的性能需求，對車輛的驅動電機、動力電池以及傳動比進行了匹配設計.運用Cruise軟件搭建了整車仿真模型，分析了固定速比車型和帶有多檔變速器車型的純電動公交客車的動力性能和經濟性能.仿真結果表明，配備了多檔變速器的車型在爬坡性能、加速性能和續駛里程都有所提升，在循環工況和勻速續航工況下的電耗均降低.仿真結果可為今后純電動汽車的優化設計提供重要的數據參考.

參 考 文 獻

[1]麻良友，嚴運兵.電動汽車概論[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]袁苑，錢立軍.基于CRUISE中型純電動客車動力匹配仿真[J].農業裝備與車輛工程，2012，50(5)：15-18.

[3]丁楠楠.城市電動公交客車的動力系統優化匹配與能效分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

[4]陳佼.某城市公交動力傳動系匹配優化研究[D].南京：南京理工大學，2014.

[5]周勝.純電動汽車動力性及經濟性分析[D].長沙：湖南大學，2013.

[6]TIAN Shaopeng, WANG Yang, WU Lei. Parameters matching and effects of different powertrain on vehicle: performance for pure electric city bus[J]. SAE International Paper,2015-01-2799,2015.

[7]TIAN Shaopeng, WU Lei, WANG Yang. Simultaneous optimization of power train parameter and control strategy in a plug-in hybrid electric bus[J]. SAE International Paper，2015-01-2828, 2015.

Parameter Matching and Simulation of Powertrain for Pure Electric City Bus

TIAN Shaopeng1,2)TAN Rongyuan1,2)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)2)

Abstract：By taking a type of pure electric bus as an example, the simulation models of the vehicle are built in CRUISE. The parameters of powertrain for vehicle are matched, based on the given dynamic performance requirements of vehicle. Two types of models with different powertrain structures, which are fixed ratio and four-speed transmission, are simulated respectively. Finally, the comparative analysis is given to the dynamic and economic performance of the two kinds of vehicles on the premise of meeting the design requirements.

Key words：electric vehicle; powertrain; parameter match; transmission; simulation

收稿日期：2016-04-15

中圖法分類號：U462.22

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.008

田韶鵬(1974- )：男，博士，教授，主要研究領域為變速器設計與測試、車用新型動力裝置及動力系統仿真技術等

*國家“863”基金項目資助(2011AA11A260)