電動觀光車動力系統(tǒng)匹配及仿真分析

魏明剛，彭柳柳，韋志斌，刁劍雄

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

在觀光車行業(yè)里，不同景區(qū)觀光車的使用場景大相徑庭，時常出現(xiàn)購買的觀光車動力性能過剩或不足的情況。因此，如何合理選擇動力系統(tǒng)各部件，通過參數(shù)匹配使純電動觀光車獲得同等條件下更好的動力性與經(jīng)濟性，在設計開發(fā)前期尤其重要。

行業(yè)內觀光車三電系統(tǒng)最初采用的是鉛酸電池+直流串勵系統(tǒng)；受前幾年“老年代步車”和“低速電動車”的影響，觀光車的技術路線也日漸向交流異步系統(tǒng)延伸；但如果參考我國新能源行業(yè)發(fā)展趨勢，觀光車三電的技術路線最終也會指向鋰電+永磁同步系統(tǒng)。本研究給出一種方法，依據(jù)直流串勵系統(tǒng)數(shù)學模型，永磁同步仿真系統(tǒng)，來匹配選型觀光車三電系統(tǒng)，使設計滿足整車性能參數(shù)開發(fā)目標。并舉例一款永磁同步系統(tǒng)車型參數(shù)匹配方案進行cruise軟件仿真，驗證動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的合理性。

1 觀光車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

經(jīng)常在平路行駛的觀光車的電氣系統(tǒng)選型匹配，主要匹配要求就是續(xù)航里程、爬坡度、最高車速應當滿足設計目標；對于對動力性能要求較高、需要經(jīng)常爬坡的觀光車，對特定坡度的爬坡車速也有額外要求。研究的兩種車型搭載不同系統(tǒng)的整車參數(shù)及性能指標見表1。

表1 動力系統(tǒng)設計輸入匹配目標

1.1 鉛酸電池+直流串勵電驅系統(tǒng)匹配

1.1.1 根據(jù)續(xù)航里程與最高車速確定電機額定功率

平直路面勻速行駛所需最小動能，需滿足能車輛克服滾動阻力和風阻

式中：Pmin為最小額定功率，vmax為最大車速，ηT為變速箱傳遞效率，m為滿載總質量，g為重力加速度，f為滾動阻力系數(shù)，Cd為風阻系數(shù)，A為迎風面積。代入?yún)?shù)求得Pmin=2.178 kW。

電機期望運行的時間，可由總里程與車速求出

式中：t為最大連續(xù)運行時間，h；S為目標續(xù)航里程，km；代入?yún)?shù)求得t=2.759 h。

觀光車行走電機應滿足s2-60min工作制[1]，即以額定工況工作60 min則溫度上升到上限[2]，因此不能以額定功率來持續(xù)運行，電機的額定功率應當確保整個行駛過程不產(chǎn)生電機過熱。對于串勵電機，電機發(fā)熱的主要熱源來自于銅線的發(fā)熱。由于電流較大時，散熱功率遠遠小于發(fā)熱功率，散熱功率忽略后，電機溫升可近似視為：式中：ΔQ為環(huán)境溫度上升到電機溫度上限的溫升，IN為電機額定電流，R為電機勵磁、電樞回路電阻，tN為以IN電流可持續(xù)運行的時間，I1為運行時間為t1就電機過溫的電機電流，t1為以車速Vmax行駛到里程為S的時間。

行業(yè)內串勵電機的銘牌參數(shù)為：

式中：PN為電機銘牌額定功率，UN為電機銘牌額定電壓。

要想車輛持續(xù)運行（2）式的時間，結合（3）（4），則電機的額定功率PN至少為：

代入數(shù)據(jù)得PN=3.618 kW，一般電機功率都是0.5的整數(shù)倍，因此，電機選型功率為PN=4 kW。

1.1.2 確定電機額定參數(shù)及整車速比

串勵電機的最大電流為額定電流的3倍，峰值轉矩應當不低于額定轉矩的4.5倍[2]，在最低速運行時，可忽略風阻項，依據(jù)輪邊動力不低于阻力，則有：

式中：F動力是輪邊驅動力，TN為電機額定轉矩，i為速比，r為輪胎滾動半徑，F(xiàn)阻力為極低速運行時忽略風阻的的阻力，θ為坡道的坡度。代入?yún)?shù)求得TNi≥171 N·m；輕型觀光車速比i通常介于10~15，速比越大則成本越高，且機械效率越低，因此將i取值為10，以此推算TN≥17.1 N·m；根據(jù)電機機械特性原理，有以下關系：

式中：nN為電機額定轉速。代入?yún)?shù)求得nN≤2234 r/min。某品牌電機存在3款額定轉速分別為1500 r/min、2000 r/min、2500 r/min的電機，滿足條件的驅動電機有1500 r/min、2000 r/min這兩款。從成本考慮，額定扭矩越大的電機成本越高，因此選型額定轉速nN為2000 r/min的電機；根據(jù)（7），代入?yún)?shù)后確定電機的額定扭矩TN為19.1 N·m。

1.1.3 根據(jù)最高車速與續(xù)航里程確定電池容量

勻速行駛的功率與電池放電的功率直接存在效率的折算關系：

式中：U為電池電壓，V；I為電池電流，A；η電機為電驅系統(tǒng)效率；對于48 V電壓系統(tǒng)，代入電驅效率80%，可求得電池電流I=56.4 A；根據(jù)（2）計算出來的運行時間t=2.759 h，可求得電池容量C≥It=155.5 Ah。在市面上存在某品牌電池為額定155 Ah，實測50 A恒流可放電165~170 Ah，可視為165 Ah，滿足需求。

1.1.4 確定續(xù)航里程、空滿載最高車速及爬坡度

選型好各系統(tǒng)后，需結合電機數(shù)學模型與機械特性、運動力學平衡模型、能量守恒模型、可精確算出續(xù)航、各載重最高車速、爬坡度、爬坡車速等。

直流串勵電動機運行特性[3]如下：

式中：Te為輸出轉矩，N·m；k為常數(shù)，T0為空載轉矩，N·m。上式表明Te是關于電機電流I電機的函數(shù)。表2是某品牌的48 V4 kW2000 r/min電機測功表（節(jié)選部分），使用excel對電機效率、電機轉速與電機電流導出散點圖如圖1，可擬合得出公式（9）（10）（11）的具體表達式

表2 某型號直流串勵電動機測功表

圖1 扭矩、效率、轉速與電流的散點圖

在θ的坡道上以v1勻速行駛上坡，有以下力學平衡關系：

車速和轉速之間的轉換關系：

忽略車載電器功耗，車輛的續(xù)航里程實驗可放出的總電量不超過電池的最大電量

式中：C為電池額定容量，Ah；Qb為電池總電量，kWh；P為整車勻速行駛時的功率，kW；t1是以車速v1行駛的可行駛時間，s1是續(xù)航里程。

結合（11）（13），可得：

結合（9）（10）（14），可得：

結合（9）（12）（15），可得：

將F1~F6函數(shù)輸入到excel表格，可以快速計算出在特定的電機電流I電機情況下車速v1勻速與坡道θ的關系。在excel表格中調節(jié)I電機及重量m大小，使參數(shù)θ正好為0，可推導出空載滿載續(xù)航里程。調節(jié)I電機大小為3倍額定電流，可得出最大爬坡度θmax。

1.1.5 直流串勵系統(tǒng)匹配結果

通過excel進行匹配的結果見表3，從表3可知，按此流程匹配出來的系統(tǒng)能滿足設計目標。

表3 直流串勵系統(tǒng)匹配結果

1.2 鋰電+永磁同步系統(tǒng)動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

近年來隨著變頻技術的發(fā)展，同步電機調速系統(tǒng)的應用日益廣泛。永磁同步電機結構簡單，運行可靠，效率也相對更高，加上我國永磁材料資源儲備豐富，永磁同步電機的制造成本低，越來越多的汽車廠傾向于使用永磁同步電動機。

1.2.1 根據(jù)目標最高車速確定電機額定功率

B款11座爬坡王觀光車，搭載S9工作制的永磁同步水冷電機系統(tǒng)，一般不存在運行60 min就過熱的情況，額定功率不按前文直流串勵系統(tǒng)的計算方式來匹配。該車型的市場定位就是在不超過10°/17.6%的坡道上都能以最高車速行駛，電動機的額定功率應不低于此時的負載：

式中：PN為電動機額定功率，kW；vmax為10°坡的最高車速，km/h；ηT為傳動效率；m為整車滿載質量，kg；g為重力加速度，m/s2；f為滾動阻力系數(shù)；Cd為空氣阻力系數(shù)；S為迎風面積，m2；θ10為目標爬坡度（即10°/17.6%坡），（°）；代入?yún)?shù)后求得Pe≥32.97 kW，取整確定電機額定功率Pe為33 kW。

1.2.2 根據(jù)目標最大爬坡度及爬坡車速確定電機峰值功率

驅動電機的峰值功率應同時滿足最大爬坡度、目標爬坡車速性能指標，此時電動機的峰值功率應不低于此時的負載

式中：Pmax為電動機峰值功率，θ20為目標爬坡度（即20°/36.4%坡），（°）；v20為20°的坡道上的最大爬坡車速，km/h。代入?yún)?shù)求得Pmax≥42.4 kW，定Pmax為45 kW，以此功率推算20°/36.4%的坡的短時最大爬坡車速修正為v20=21.2 km/h；依據(jù)峰值功率45 kW，亦能推算車輛在不超過14°/25%的坡道上，能短時按最高車速29 km/h行駛。

1.2.3 根據(jù)最高車速和速比確定電機的峰值轉速轉速

把數(shù)據(jù)代入式（13）得出峰值轉速nmax≥4093 r/min，考慮到車輛持續(xù)以最高車速運行時，不應始終貼近峰值轉速，按保留至少10%的余量，所以取電機峰值轉速nmax為4500 r/min。

1.2.4 根據(jù)使用工況確定峰值轉矩、額定轉矩與額定轉速

峰值轉矩Tmax決定于以較低車速運行時的最大爬坡度；忽略掉風阻項，峰值扭矩可根據(jù)以下公式求出為：

式中：Tmax為峰值扭矩，N·m；θmax為最大爬坡度。代入?yún)?shù)后求得Tmax≥170.4 N·m，取值為Tmax=175 N·m。依據(jù)此扭矩推算最大爬坡度為46.46%。

額定扭矩取決于車輛行駛的目標工況，設計目標中存在兩個約束條件，一個條件是在不超過10°的坡以29 km/h行駛，另一個條件是在不超過20°坡，能短時以大于等于20 km/h的車速行駛。根據(jù)公式（12），求出用車常用工況的扭矩介于76.93~143.64 N·m，取平均值得出額定扭矩TN在110 N·m附近。

將參數(shù)代入公式（21），求出額定轉速nN約為2865 r/min；取整后最終確定額定轉速nN為2900 r/min。修正后的額定扭矩根據(jù)公式（21）求得TN為108.7 N·m。

1.2.5 根據(jù)已知的電機參數(shù)及目標平路等速法續(xù)航里程確定磷酸鐵鋰電池參數(shù)，以及確定電機電壓

根據(jù)已選定驅動電動機的峰值功率可以確定電池組的最大輸出功率，根據(jù)行業(yè)內磷酸鐵鋰的電芯放電特性，短時許用放電倍率通常為持續(xù)許用放電倍率的1.5~2倍甚至更高。為減少電池發(fā)熱，短時放電倍率設置為不超過1.5倍額定放電倍率。依據(jù)電機峰值功率為45 kW，推算電池按1C電流放電的功率≥30 kW，因此電池電量應不小于30 kW/h。

若采用某品牌磷酸鐵鋰205 Ah電芯，依據(jù)電池總電量推測系統(tǒng)額定電壓≥146.3 V左右，按磷酸鐵鋰額定電壓為3.2 V單體來計算，初步求得系統(tǒng)電壓為147.2 V。

電池電壓接近144 V平臺，所以電控按144 V平臺選型，此時電機的各參數(shù)已確定，供方可理論計算這套參數(shù)的電機，在指定轉速和扭矩情況下的電驅系統(tǒng)效率η電驅，查表或供方給出估算，可得

式中：T為當前扭矩，N·m；n為當前轉速，r/min；η電驅為在當前扭矩和轉速情況下的預估電驅效率。

平路的續(xù)航里程取決于電機行駛消耗功率和電氣附件消耗功率，其中車輛在平直路面勻速行駛時的需求功率為：

式中：P0為電驅平路行駛功率，kW。根據(jù)動力性能需求里的續(xù)駛里程要求計算動力電池電量：

式中：Qb為動力電池電量，kW/h；s為續(xù)駛里程，m；vmax為平路最高行駛車速，km/h；S0C=5%為最小剩余電量，P附為附件平均耗電功率。根據(jù)式（12）（13）（22）可粗略估算η電驅為77.0%；整車搭載水冷電驅系統(tǒng)，電氣附件P附耗電功率按0.5 kW。再結合（23）（24）代入?yún)?shù)后可以確定Qb≥30.01 kW/h，而之前選型的147.2 V205 Ah的電池電量為30.18 kW/h≥30.01 kW/h，表明該電量可滿足平直路面29 km/h等速法續(xù)航里程180 km的需求，以此電量推算修正續(xù)航里程為S=181.5 km。

1.2.6 永磁同步系統(tǒng)匹配結果

通過匹配結果見表4，從表4可知，按此流程匹配出來的系統(tǒng)能滿足設計目標。

表4 永磁同步系統(tǒng)匹配結果

2 整車仿真模型建立

前文中通過計算完成動力系統(tǒng)參數(shù)匹配，為了充分驗證參數(shù)匹配的合理性，還需要通過仿真分析驗證，本研究列舉B款11座觀光車動力系統(tǒng)參數(shù)作為模型，采用AVL-Cruise軟件進行車輛建模及仿真分析。

2.1 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

B款11座觀光車經(jīng)過計算匹配的動力系統(tǒng)參數(shù)見表5。

表5 動力系統(tǒng)參數(shù)

2.2 整車模型建立

基于CRUISE建立的整車模型如圖2所示。模型包含整車、電機、電池、差速器、主減速器、車輪等，建立好各模塊間的機械連接、電氣連接以及信號連接。

2.3 仿真結果分析

動力性經(jīng)濟性總體仿真結果見表6。

表6 動力性經(jīng)濟性仿真結果

2.3.1 動力性能仿真結果分析

動力性能仿真分析包括最高車速、最大爬坡度和加速度時間，0~30 km/h加速時間仿真曲線如圖3所示，最大爬坡度與爬坡車速仿真曲線如圖4所示，從仿真結果得知，在不超過25%的坡道上都能短時以最高車速29 km/h行駛；在36.4%的坡道上，短時爬坡車速為21.16 km/h。這些仿真結果都與之前所述的理論計算結論相符，滿足設計要求：在不超過10°/17.6%的坡道上都能以最高車速行駛，在10°/17.6%的坡道上都能短時以20 km/h的車速行駛。從圖4可知，最大爬坡度為46.97%，與前文的理論計算結論相符，滿足設計要求：最大爬坡度≥45%。

2.3.2 經(jīng)濟性仿真結果分析

等速行駛仿真曲線如圖5所示，從仿真結果得知，整車滿載以29 km/h的速度勻速行駛，在SOC從100%~5%的過程中，行駛里程為185 km，滿足設計要求：平直路面29 km/h等速法續(xù)航里程≥180 km，與前文的理論計算值也十分接近。

圖2 CRUISE整車模型

圖3 0~30km/h加速時間仿真曲線

圖4 最大爬坡度與爬坡車速仿真曲線

圖5 29km/h等速行駛仿真曲線

3 結語

動力系統(tǒng)的匹配是純電動汽車設計過程中十分關鍵的一步。研究的兩種車型的整車參數(shù)及性能指標，分別搭載不同的動力系統(tǒng)，采用理論計算的方法，對電動機、動力電池進行合理地參數(shù)匹配，達到動力性和經(jīng)濟性兼顧的目的。同時基于AVL-Cruise軟件建立永磁同步系統(tǒng)整車模型，進行整車動力性能及經(jīng)濟性仿真分析，進一步驗證理論分析的正確性，為純電動觀光車動力系統(tǒng)匹配設計提供了一套可行的設計流程，對汽車設計人員具有一定的參考價值。