純電動牽引車動力系統參數匹配與仿真

趙強 曲萬達 張國棟 陳麗君

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

純電動牽引車動力系統參數匹配與仿真

趙強 曲萬達 張國棟 陳麗君

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

以某純電動牽引車為研究對象，依據汽車動力性、經濟性指標對該牽引車的電機和動力電池進行了選型和參數匹配。利用CRUISE軟件搭建了性能仿真模型，針對不同工況對該車進行了最高車速、加速時間、最大爬坡度及經濟性仿真分析。仿真結果與試驗結果對比表明，該純電動牽引車動力系統參數匹配過程合理，仿真分析方法可靠有效。

1 前言

目前，大部分純電動商用車是在原柴油車的基礎上進行改裝，導致整車動力性、經濟性發生變化[1]。由于純電動商用車具有唯一的動力系統，驅動和制動控制策略相對固定，因此合理的動力系統參數匹配是提高純電動商用車性能的重要手段之一。相關學者針對動力系統參數匹配問題進行了研究，如，何洪文等[2]著重分析了電機的動力特性，對完成電動汽車動力系統的參數匹配具有重要理論意義；劉靈芝等[3]建立了某型純電動汽車的動力系統結構和控制策略，提出了動力系統參數匹配設計方法；張抗抗等[4]選擇若干個可優化指標，建立參數匹配的目標優化模型，并通過遺傳算法對動力系統進行參數匹配；周飛鯤[5]以提升整車性能為目標，對純電動汽車動力系統參數匹配進行了研究，并進行了對比仿真分析。上述研究往往以整車動力性為指標進行參數匹配，缺少對經濟性的綜合考慮。

本文以某純電動牽引車為研究對象，依據汽車動力性和經濟性指標，對電機、動力電池等關鍵總成進行了參數匹配，并利用CRUISE軟件對整車進行了性能仿真及試驗驗證，為純電動牽引車動力系統參數匹配及性能優化提供了依據和支撐。

2 純電動牽引車特性分析

2.1 構型方案

純電動牽引車動力系統的構型較為靈活，主要包括電機直驅、輪邊電機及電機+變速器等方案，如圖1所示。電機直驅方案（圖1a）相對比較簡單，沒有變速器進行變速，低速時電機需要具有較大的扭矩；輪邊電機方案（圖1b）中沒有傳動軸、后橋主減速器，傳動效率較高，但非簧載質量較大，影響汽車平順性，而且開發成本較高；電機+變速器方案（圖1c）在汽車爬坡或起步時可輸出較大扭矩，整車行駛時電機轉速可以維持在較高的效率區，因此本文采用電機+變速器方案。

圖1 純電動牽引車主要結構構型

2.2 基本構成

純電動牽引車主要由底盤、車身、動力系統及電動附件等組成，其動力系統主要由動力電池及管理系統、驅動電機及控制系統等組成[6]，電動附件主要包括空調壓縮機、PTC加熱器、轉向油泵、空氣壓縮機等。純電動牽引車主要總成部件如圖2所示。

圖2 純電動牽引車主要部件

3 純電動牽引車動力系統參數匹配

純電動牽引車動力系統參數匹配是根據整車的設計指標要求對動力系統部件進行選型和參數確定，主要針對電機和動力電池進行參數匹配。

3.1 整車參數

本文所研究的車型為6×4純電動牽引車，其整車參數如表1所示。

3.2 電機參數確定

3.2.1 電機功率

電機的額定功率和峰值功率是電機的重要參數，關系到電動車的安全及性能。一定條件下電機具有過載能力，能夠短時間內工作在峰值功率，此時電機能夠輸出較大的扭矩，但電機過載時間過長會造成電機內線圈過熱，能量以熱量形式損失。通常情況下根據電動車的最高車速確定額定功率，根據最大爬坡度和加速時間確定峰值功率[7～9]。

表1 純電動牽引車整車參數

a.根據最高車速確定電機功率，計算式為：

式中，ηT為動力傳動系統效率；M為整車滿載質量；g為重力加速度；f為滾動摩擦系數；CD為風阻系數；A為迎風面積；Vmax為最高車速。

b.根據最大爬坡度確定電機功率，計算式為：

式中，Vn為爬坡車速；α為坡度角。

c.根據加速時間確定電機功率，計算式為：

式中，δ為旋轉質量換算系數；Vt為t時刻的車速；t為0～Vt的加速時間。

將整車參數代入式（1）～式（3）可求出所需的電機功率，結果如表2所示。

由上述計算結果可知，電機額定功率應不小于212 kW，電機峰值功率應不小于332 kW。

3.2.2 電機轉速

車速越高時電機的轉速也越高，根據式（4）可確定電機額定轉速：

表2 所需電機功率

式中，n為電機額定轉速；ig為變速器最高擋位速比；i0為驅動橋速比；r為輪胎滾動半徑。

將各參數代入式（4）得電機額定轉速為1 860 r/min。

綜合以上電機功率及轉速計算結果，同時結合目前市場上的電機資源，本文匹配的電機基本參數如表3所示，電機特性曲線如圖3所示。

表3 電機基本參數

圖3 特性曲線

3.3 動力電池參數確定

動力電池是純電動牽引車的唯一動力源，因此必須滿足車輛行駛時輸出的最大功率和車輛的續駛里程。

a. 根據峰值功率計算電池的最大放電功率[10]，計算式為：

式中，Pbmax為動力電池的最大放電功率；Pemax為電機峰值功率；Pimax為電動附件峰值功率；ηb為動力電池放電效率。

將電機的峰值功率（332 kW）、電動附件峰值功率（取6.2 kW）、動力電池放電效率（取0.94）代入式（5），可得動力電池最大放電功率為360 kW。

b. 根據續駛里程計算動力電池電量[10]，計算式為：

式中，Qb為動力電池電量；L為續駛里程；Vh為行駛車速；Ph為Vh對應的電機功率；SOC=20%為最小剩余電量。

當整車滿載以40 km/h車速行駛時，由式（1）可得電機功率為43.7 kW，可求得動力電池電量為298 kW·h。

綜合以上動力電池參數計算結果，本文匹配的動力電池基本參數如表4所示。

表4 動力電池基本參數

4 基于CRUISE的純電動牽引車性能仿真

4.1 仿真建模

純電動牽引車是后輪驅動，根據該車構型，車輛的驅動力由電機發出，經過變速器、軸間差速器、主減速器、輪間差速器、半軸傳到驅動輪。利用CRUISE仿真軟件提供的元件庫建立仿真模型，按各元件的信號或能量輸入、輸出關系進行總線數據連接和連接線連接，并對動力性指標（包括最高車速、最大爬坡度、加速時間）和經濟性指標（包括噸百公里耗電量）進行仿真。純電動牽引車仿真模型如圖4所示[11]。

4.2 最高車速和加速時間仿真

根據標準GB/T 18385—2005《電動汽車動力性能試驗方法》中的要求，在計算任務中進行加速行駛設置，得到電機轉速、功率、扭矩及整車車速、加速時間的仿真結果，如圖5和表5所示。

由圖5可看出，當加速時間tlt;50 s時，電機轉速小于1 200 r/min，處于低轉速區，電機扭矩保持最大值，隨著電機轉速的升高，電機功率增大，整車車速隨之升高；當t=50 s時，電機轉速達到1 200 r/min，車速達到58 km/h，電機功率達到最大值；當tgt;50 s時，電機轉速繼續升高，受恒功率特性的限制，電機扭矩持續下降，而車速繼續升高；當t=95 s時，電機轉速達到1 880 r/min，電機扭矩達到最小值，車速達到最大值為91 km/h。當t=74.2 s時，車速達到80 km/h，由于采用12擋變速器，每擋換擋的放電功率為50.8 kW。

圖4 純電動牽引車仿真模型

圖5 純電動牽引車加速行駛仿真結果

表5 純電動牽引車加速時間仿真結果

4.3 最大爬坡度仿真

在計算任務中進行爬坡行駛設置，對每擋位進行爬坡度仿真，仿真結果如表6所示。由表6可知，純電動牽引車最低擋時的最大爬坡度為27.87%。

表6 純電動牽引車各擋位爬坡度

4.4 經濟性仿真

在循環工況計算任務中進行等速行駛設置，將車速設為40 km/h，得到等速工況動力電池的放電功率曲線如圖6所示。由圖6可看出，在40 km/h等速下動力電池

圖6 等速工況動力電池的放電功率曲線

式中，Et為噸百公里耗電量；M為列車總質量；P為電池

根據耗電量計算式（7）可求出噸百公里耗電量：放電功率；V為整車車速。

該牽引車的總質量為49 t，動力電池放電功率為50.8 kW，整車車速為40 km/h，將這些參數代入式（7）,得到噸百公里耗電量為2.59 kW·h。

5 試驗對比

為驗證參數匹配過程的合理性以及仿真模型的可信性和可行性，對純電動牽引車進行了動力性、經濟性試驗，仿真與試驗對比結果如表7所示。由表7可知，最高車速、加速時間及耗電量的仿真結果與試驗結果誤差分別為2.2%、2.6%和5.7%。該結果表明，純電動牽引車的動力性和經濟性仿真指標與實車試驗結果比較吻合，誤差在可接受范圍內。

表7 動力性、經濟性仿真與試驗結果對比

6 結束語

本文以某純電動牽引車為研究對象，分析了其動力系統基本構型，并確定以電機+變速器為構型方案，根據整車性能指標對其電機及動力電池進行了選型和參數匹配。通過CRUISE軟件搭建了性能仿真模型，針對不同工況對該車進行了最高車速、加速時間、最大爬坡度及經濟性仿真分析。仿真結果與試驗結果對比表明，該純電動牽引車動力系統參數匹配過程合理，仿真分析方法可靠有效。

1 姬芬竹，高峰.電動汽車驅動電機和傳動系統的參數匹配.華南理工大學學報(自然科學版)，2006,34(4)：33～37.

2 何洪文，余曉江，孫逢春,等.電動汽車電機驅動系統動力特性分析.中國電機工程學報，2006，26(6)：136～140.

3 劉靈芝，張炳力，湯仁禮.某型純電動汽車動力系統參數匹配研究.合肥工業大學學報(自然科學版)，2007，30(5)：591～593.

4 張抗抗,徐梁飛,華劍鋒,等.基于多目標優化的純電動車動力系統參數匹配方法.汽車工程，2015，37（7）：757～765.

5 周飛鯤.純電動汽車動力系統參數匹配及整車控制策略研究：[學位論文].長春：吉林大學，2013.

6 王鉦強,宋書全.純電動汽車的設計與開發.汽車技術,2013(2)：26～28，35.

7 周勝.純電動汽車動力性及經濟性分析：[學位論文].長沙：湖南大學，2013.

8 余志生主編.汽車理論.北京：機械工業出版社,2006.

9 鄭慧勤.純電動汽車動力系統的設計與實現：[學位論文].武漢：武漢理工大學，2009.

10 楊峰.純電動汽車動力系統參數匹配與優化：[學位論文].合肥：合肥工業大學，2013.

11 袁苑.中型純電動客車動力參數匹配仿真及再生制動研究：[學位論文].合肥：合肥工業大學，2012.

（責任編輯 文 楫）

The Parameters Matching and Simulation of Pure Electric Tractor Power System

Zhao Qiang,Qu Wanda,Zhang Guodong,Chen Lijun
（China FAW Corporation Limited Ramp;D Center,Changchun 130011）

Type selection and parameter matching were carried out for motor and power battery of a pure electric tractor according to vehicle power and economic index.Performance simulation model was built in CRUISE environment,and simulation analysis was made regarding maximum speed,acceleration time,maximum gradeability and economy under different driving conditions.Simulation results were compared with test results,which show that the power system parameter matching process of this electric tractor is rational,the simulation analysis method is reliable and effective.

Pureelectrictractor,Parameter match,Simulation

純電動牽引車 參數匹配 仿真

U462 文獻標識碼：A 文章編號：1000-3703（2017）09-0053-05