某純電動客車動力系統設計*

李楚琳 彭麗 陳懇 唐雪梅

（湖北汽車工業學院汽車工程學院）

純電動是發展新能源汽車的主導技術路線，純電動汽車也是未來汽車產業的發展方向[1-2]。實現電動汽車取代傳統汽車的關鍵一點在于純電動汽車的動力性是否能滿足人們的需要。我國企業、高校和科研單位開展純電動汽車的研究工作已有多年，但是電動汽車仿真在電動汽車的設計過程中仍是薄弱環節，因此繼續深入開展對我國純電動汽車的研發對于提高電動汽車的市場競爭力具有重大意義。文章通過改進動力系統傳統的匹配方法來解決電動客車的仿真難題，結合MATLAB/Simulink 和ADVISOR 軟件，并在實際仿真中不斷比較與改進，實現了電動客車動力系統的最優控制。

1 仿真平臺總體設計

本仿真平臺結合前向仿真與后向仿真的優點，采用混合仿真方法?；旌戏抡娣椒ǖ慕Y構，如圖1 所示。通過Simulink 搭建整車仿真模型，通過ADVISOR 實現整車仿真模型的參數設定。通過對純電動汽車部件建立完整的數學模型，可以很好地理解汽車動力的傳遞過程，在輸入整車參數與工況參數后，進行仿真運算并將結果輸出到工作區，以便進行后續整車數據分析與動力系統的優化。

圖1 電動汽車仿真平臺的總體設計框圖

2 動力系統總體設計

2.1 整車參數

某公司生產的10 m 長電動城市客車的仿真模型由工況、駕駛員模型、車輛控制系統和車輛模型組成。文章選擇了相應的電機和電池模型，研究了電力系統傳動與電機的匹配問題。為了達到設計目標，選擇了最優的電力系統設計。在此基礎上，進行了電源匹配優化設計和仿真，完成了整車系統的參數匹配。表1 示出該車的參數和性能指標。

表1 某電動城市客車車輛參數和性能指標要求

2.2 循環工況

根據《GB/T 18386—2017 電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》，選擇中國典型城市的環路條件作為工況循環計算的條件。表2 示出中國典型城市公交工況循環（CCBC）數據的統計特征。

表2 中國典型城市公交工況循環（CCBC）的統計特征

2.3 電機參數匹配

純電動汽車電機的功率匹配直接影響到汽車的動力性能。匹配合理的電機功率不僅可以延長汽車的行駛距離，同時也可以提高能源利用率[3-4]。此外，電機的峰值功率必須滿足與最大爬坡度和加速度時間相對應的要求。因此，建立了方程不等式集，如式（1）所示。

式中：Pi——驅動電機的功率，kW；

umax——汽車最大車速，km/h；

m——汽車的質量，kg；

ηT——機械效率，ηT=0～1；

A——迎風面積，m2；

CD——空氣阻力系數；

uc——最大坡度對應的速度，m/s；

f——滾動阻力系數；

α——最大爬坡度，（°）；

λ——電機過載系數；

δ——旋轉質量換算系數；

u——車速，km/h；

t——時間，s。

通過計算P1，P2，P3，得到三者最大值為125.7 kW，因此所需驅動電機的額定功率要超過125.7 kW。根據匹配要求，現有永磁同步電機主要分為2 種，其不同之處在于它們的額定功率不同，其技術參數也不同。2 種電機的參數，如表3 所示。

表3 永磁同步電機技術參數

2.4 動態電池參數匹配

作為純電動汽車的動力源，動力電池的容量決定了整車的行駛里程，從而影響整車的動力性[5-6]。電池模型的設計主要考慮電池的輸入輸出功率和平均效率。根據所需功率和電池電壓計算電池電流，然后計算電池SOC 值。文章采用恒速法和里程設計的目標值法，根據《GB/T 18386—2017 電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》以及能量守恒定律，計算電池的總容量，如式（2）所示。

式中：E——電池組的總容量，kW·h；

Pv——汽車以穩定速度v 運行的輸出功率，kW；

ηc——電池的容量效率，ηc=0～1；

Pace——消耗能量所做的功，kW/h；

D——里程設計的目標值，km；

v——測試速度，m/s。

在此基礎上，選擇的磷酸鐵鋰電池的參數如下：額定電壓為534 V，電池平均效率為0.95，SOC 為1，電量為69.1 kW·h。

2.5 傳動比參數匹配

在電動汽車中，電機在高效率范圍內運行，能夠減少電機和電源的負荷，降低功率損耗。當電機輸出特性恒定時，傳動比的選擇必須滿足電機最高轉速、加速度時間和最大爬坡度的功率要求。電動汽車以最大速比和最小傳動比運行，因此，計算傳動比的上限（iu）和下限（id），如式（3）所示。

式中：nmax——電機最大轉速，r/min；

rd——車輪半徑，mm；

Ttq_max——最大轉矩，N·m。

在電機和電池確定的條件下，電動汽車傳動系統的選擇尤為重要。文章設計了3 種動力傳動系統方案，如表4 所示。

表4 電動汽車3 種動力傳動系統方案對比

3 模型仿真驗證與結果分析

采用仿真平臺ADVISOR 對電動客車的動力系統進行了設計[1]。在Simulink 環境下，通過仿真集成環境，建立了整車控制器模型。并在ADVISOR 平臺上進行了仿真。整車仿真模型主要包括7 個模塊：

1）循環工況模型，根據不同的工況輸入目標車速、坡度、承載質量等；

2）車身模型，通過驅動力與行駛阻力計算牽引力與速度；

3）車輪模型，通過附著率計算轉矩與轉速；

4）主減速器與變速箱模型，通過傳動比計算轉矩與轉速；

5）電機模型，根據電機效率MAP 圖得到電機效率，計算電機功率；

6）電池模型，計算 SOC 與 100 km 電耗；

7）車輛狀態模型，判斷汽車當前的行駛狀態。

3.1 動力學分析

該仿真模型考慮了最大爬坡度、最大車速和0～50 km/h 加速時間。通過匹配不同的動力系統獲得的爬坡度和車速曲線，如圖2 所示。加速時間曲線，如圖3所示。動力性能有關參數，如表5 所示。

圖2 不同動力系統電動汽車的爬坡度和速度曲線

圖3 不同動力系統電動汽車的速度時間曲線

表5 電動汽車3 類動力系統動力性相關參數

從表5 可以看出，4 擋AMT 系統的最大爬坡度最高，2 擋AMT 系統的最大爬坡度接近11.31°，比直驅系統最大爬坡度高2.2%；2 擋AMT 的最高車速與4 擋AMT 一致，都遠高于直驅系統；直接驅動系統的加速時間略小于AMT 系統，原因是變速箱在換擋過程中會損失一段時間，在斷電和轉矩恢復過程中也會花費一些時間。

3.2 經濟性分析

結合CCBC 工況和40 km/h 的行駛速度分析了模型的經濟性。圖4 示出通過匹配不同的動力系統獲得的電機效率和工作點分布情況。表6 示出仿真得出的經濟性能結果。

圖4 電動汽車3 類動力系統的電機效率圖

表6 電動汽車3 類動力系統經濟性分析結果的對比

汽車以40 km/h 的速度勻速行駛的試驗表明，4 擋AMT 與2 擋AMT 能量消耗相差不大且都小于直驅系統的能量消耗，功耗對比直驅都有所下降。從上述分析可知，與直接驅動系統相比，2 擋AMT 和4 擋AMT 可以降低能耗，讓電機在高效率區域工作，工作狀態的工作點分布更加均勻。

3.3 乘坐舒適性和質量成本分析

換擋時間可以根據齒輪的位置來判斷。2 擋AMT系統和4 擋AMT 系統在CCBC 工況下的換擋情況，如圖5 所示。變速箱在換擋時會產生換擋沖擊力。在滿足動力性和經濟性的前提下，要最大限度地減少換擋次數，盡可能提高汽車的舒適性。從圖5 中可以看出，2 擋AMT 系統換擋次數遠小于4 擋AMT 系統，即2 擋AMT 系統舒適性能優于4 擋AMT 系統。

圖5 電動汽車不同動力系統的換擋情況

3 種動力系統的質量和成本，如表7 所示，2 擋AMT 系統的質量和成本是三者中最低的。根據以上分析，2 擋AMT 動力系統不僅能滿足動力性能的要求，而且提高了經濟性，換擋時間也較短。乘坐舒適性和直接驅動系統之間的差別很小。同時，電力系統的質量輕且成本最低，因此它是最佳的動態系統參數設計。

表7 電動汽車3 類動力系統的質量和成本分析值

4 結論

文章結合了混合仿真結構的優點與仿真軟件的優勢，提出一種2 擋AMT 系統方案。與2 500 N·m 直驅系統和4 擋AMT 系統相比，該動力系統具有更高的實用性，在提高乘客的乘坐舒適性方面也有較好的表現。下一階段將增加汽車部件模型的數量來提高仿真的精確性，同時增加其它復雜仿真工況來驗證動力系統的可靠性。