基于Matlab的純電動客車經濟性仿真分析

周翔，孫長存，王凱，林永茂，童驍

（江西博能上饒客車有限公司 技術中心，江西 上饒 334000）

前言

純電動客車的續駛里程受行駛工況、動力參數、儲能參數匹配等條件的影響[1-2]。客戶在項目初期均會對純電動客車的續駛里程提出一定的要求。因此在產品設計初期對客車的經濟性進行仿真顯得尤為重要。

有學者在汽車設計過程中，使用GT Power、Cruise等商業軟件，對客車的經濟性做了模擬仿真[3]。但是，這些商業化的計算分析軟件，價格昂貴，應用不方便，如操作過于繁瑣、所需參數過多、模型準備時間太長等。如果不是專業的CAE工程師操作，很難完成此項工作。而在整車的開發初期，某些參數獲取困難，模擬仿真難以實現。Matlab具有強大建模及編程功能，所以能很好地解決這一方面的問題[4-6]。

1 經濟性仿真的數據準備

1.1 車型參數導入

純電動公交車項目 6116BEVG1的車型仿真所需的主要數據見下表1所示。

表1 車型參數

1.2 路譜數據的導入

項目初期客戶提出公交車需在指定的路線按照公交車運行工況行駛，未開啟空調時續駛里程要達到230 km。為獲取準確的路譜數據，我司技術人員在該線路行駛的公交車上安裝由RACELOGIC公司生產的VBOX數據采集系統，記錄下車輛的車速、經緯度、海拔等信息（見圖1，為其中截取的一段）。

圖1 車輛數據及海拔圖像

可用VBOX Tools軟件直接導出成Matlab可直接讀取的EXCEL格式的數據文件。

1.3 電機外特性和效率數據的導入

將電機在各轉速和扭矩下的效率數據導入Matlab，電機效率Z當成電機轉速X和扭矩Y的函數，采用最小二乘法和回歸分析法擬合得的電機MAP圖見圖2[7-8]所示。求解得的電機效率的函數為：

圖2 電機MAP三維圖

2 經濟性仿真的計算模型

2.1 整車動力學模型

車輛驅動力：

Ttq為電機扭矩，ηt為傳動系統的機械效率，ig為主減速比。

滾動阻力：

其中f0和f1為與滾動阻力有關的系數，G為車輪對地面的壓力，ua為車速。

空氣阻力：

其中CD為空氣阻力系數，A為車輛迎風面積。

坡度阻力：

其中ɑ為坡度角，h為海拔。

加速阻力：

δ為汽車旋轉質量的轉換系數，a為車輛加速度。

根據汽車行駛阻力平衡方程[9-10]：

2.2 制動能量回收計算

制動能量回收需要滿足一定條件，如動力電池 SOC＜90%，且車速＞20 km/h。

當滿足上述條件時，假設車輛在車速v以減速度a行駛時，有平衡方程：

其中Fh為制動回收的反向力矩到車輪上的作用力。

Th為電機的回饋力矩，η為制動力回饋的機械傳遞效率。此時根據車速計算出電機轉速n，在回饋模式的外特性圖中求得額定工況下的最大扭矩T0，T0即為該車速下電機能產生的最大反向力矩。

當Fh≦F0時，制動時時回饋給儲能系統的充電功率Ph=n*T*ηh/9550，其中ηh為電機在該轉速和扭矩的回饋模式下的效率。

當Fh＞F0時，Ph=n*T0*ηh/9550。

最終因能量回收使儲能電池增加的電能。

3 仿真結果分析

3.1 電耗計算

將上述計算模型編程，并輸入整車等相關參數后得到車速及累計電耗的曲線，見圖4（為截取的一段）。經計算的該純電動公交車在客戶指定工況下運行平均電耗為 0.92 kWh/km。為純電動車留有剩余 10%SOC的安全量，客戶要求的230 km的續駛里程應對應整車電量255.48×90%=229.93 kWh。為滿足客戶要求，電耗應小于1 kWh/km。由此可得，該車型仿真結果滿足客戶的續駛里程要求。

圖4 車速與電耗曲線圖

后續在樣車試驗驗證階段在客戶指定道路上以該工況運行，測得實際電耗為0.94 kWh/km，與仿真結果的0.92 kWh/km非常接近。

3.2 電機負載分析

對電機的實時功率進行計算并繪制成曲線，見圖 5。可以看出電機的實時功率基本都在100 kW（額定功率）以內，超過100 kW的最長時間僅為15 s，且功率值遠低于峰值功率。所以該車型動力性較為充足，使用中不存在電機負載長期過高的現象。

圖5 車速與電機功率曲線圖

4 結論

本文提出了一種基于 Matlab程序的純電動客車經濟性仿真分析方案，包含電機效率模型的建立、整車動力模型的建立和整車制動能量回收模型的建立。程序能通過導入實際的路譜，滿足客戶的定制化需求，并能對電機運行的負荷狀況進行評價。本方案經與實車路試結果對比，有較高的可參考性。