基于CRUISE的純電動客車動力匹配仿真分析*

江興洋，鐘遠婷，吳 帥

(1.廣東職業技術學院，廣東 佛山 528000；2.佛山職業技術學院，廣東 佛山 528000)

結合我國基本國情，積極推進純電動汽車的技術發展，對緩解環境污染和能源短缺問題有著重要作用[1]。純電動客車動力系統的核心部件主要有驅動電機、電池和傳動系統，所以各個部件相關參數是否匹配，是影響整車動力性和經濟性的重要因素[2]。與此同時，對純電動客車動力系統參數進行優化，能夠使得各個部件匹配更合理，從而達到降低能耗，提高續航里程的目的[3]。

本文利用CRUISE軟件對某純電動公交車的動力傳動系統參數匹配進行仿真，驗證了搭建模型的合理性，為整車性能分析提供依據。

1 基本參數與性能要求

純電動客車的動力由電機輸出，電機相當于傳統車的發動機，電池相當于傳統車的能源，動力通過變速器和主減速器傳遞到車輪[4]。本文以某純電動客車(圖1)基本參數(表1)為基礎，以指定的動力性能和經濟性能指標(表2)為匹配目標指標進行研究。

圖1 某純電動客車

表1 某純電動客車基本參數

表2 設計目標參數要求

2 純電動客車驅動力分析

純電動客車動力系統參數設計理論基礎為汽車動力學，根據整車的參數和性能指標要求得到動力系統參數。圖2為車輛的電機通過傳動系作用在驅動車輪上的力的示意圖，其中，經過車輛的傳動系統，將電機的輸出轉矩Ttq傳輸至純電動車的驅動車輪，在驅動轉矩的作用下，車輪和地面之間形成相互作用力F0，并且由于力的作用是相互的，因此地面會給驅動車輪一個反作用力Ft。其中F0和Ft是大小相同方向相反的力，反作用力Ft是驅動汽車前進的力，也即為車輛所受到的驅動力[5]。

圖2 作用在車輪的受力圖

由所學的汽車理論可知上述力矩和力有以下關系：

Tt=Ttqigi0ηT

式中，Ttq(N·m)為電機的輸出驅動轉矩；rr(m)為驅動車輪在車輛行駛過程匯總的滾動半徑；i0車輛的主減速器的傳動比；ig為車輛的變速器的傳動比；ηT為車輛的傳動系的效率。

圖3為汽車在行駛時的受力圖，汽車在行駛的過程中主要受到驅動力Ft和行駛阻力Fr的影響，其中驅動力是電機通過傳動系將力矩傳遞給車輪時，由于車輪與地面之間的相互作用，驅動車輪得到一個由車輪和路面相互作用，由路面向車輪提供的切向反作用力。在汽車運動的過程中，阻礙車輛運動的力被稱為行駛阻力。坡度阻力Fi、滾動阻力Ff、車輛行駛阻力Fr、空氣阻力Fw、加速阻力Fj的合力構成車輛在行駛過程中所受到的行駛阻力[6]。

圖3 行駛過程中車輛的受力圖

3 動力系統參數匹配

3.1 驅動電機參數匹配設計

驅動電機作為純電動客車的動力源，因此驅動電機的參數匹配將直接影響整車的動力性能。驅動電機的參數匹配主要包括額定功率、峰值功率、額定轉矩、峰值轉矩、最高轉速和額定轉速[7]。

(1)電機類型的選擇

純電動客車在行駛過程中需要頻繁地在啟停和加速減速工況中轉換，因此驅動電機需要較高的調速范圍。永磁同步電機具有功率密度高、轉矩性能好、最高轉速范圍寬、峰值效率高、過載能力強的特點[8]。因此本文選擇某款永磁同步電機作為該純電動客車的驅動電機。

(2)電機功率的選擇

驅動電機的功率需要滿足純電動客車在各種行駛工況下的功率需求。電機功率越大，整車的動力性能越好，但是電機的體積和質量會相應增加，同時還會使電機常處于欠載狀態，不僅降低了整車的經濟性還降低了電機的使用效率。電機的功率選擇也不能過小，過小則會導致電機長時間超載運轉，從而降低了電機的使用壽命[9]。

由汽車動力性評價指標可得，電機的峰值功率應滿足：

Pmax≥max(Pmax1，Pmax2，Pmax3)

式中，Pmax為電機峰值功率；Pmax1為最高車速所需功率；Pmax2為爬坡所需功率；Pmax3為加速所需功率。

(3)電機轉速的選擇

根據電機轉速來分類，大致可以分為低速電機(3000～6000 r/min)、中速電機(6000～10000 r/min)和高速電機(10000～15000 r/min)。高速電機動力性好，爬坡性能較好，但其成本較高，工作環境要求苛刻；作為城市用公交車，低速電機在能保證基本動力性能要求外，還能做到節約成本，因此本文選擇低速電機[10]。

(4)電機轉矩的選擇

電機額定轉矩和峰值轉矩可以根據上述求得的電機功率和轉速求得，計算公式為：

式中，Te為電機的額定轉矩；Tmax為電機的峰值轉矩。

電機的特性主要由電機的外特性曲線和效率特性曲線體現，本次所用的某永磁同步電機在額定電壓下的外特性曲線如圖4所示，相應的效率特性曲線如圖5所示。最終所選永磁同步電機主要性能參數如表3所示。

圖4 電機轉速-轉矩特性曲線

圖5 電機轉速-效率特性曲線

表3 電機主要參數表

3.2 電池特性

為了滿足純電動客車的動力性和續航里程的要求，單體電池的數目應當與驅動電機的最大輸出功率以及續航里程設計目標相匹配[11]。在保證動力電池組的容量和電壓滿足電機要求的情況下，動力電池的充放電特性主要影響經濟性的計算分析。本文中的純電動汽車使用的是由169個單體電池串聯，26個單體電池并聯連接形成的額定電壓為540 V、容量為260 Ah的動力電池組。單體電池具體參數如表4所示，圖6為單體電池的充電曲線，圖7為單體電池的放電曲線。

圖6 單體電池充電特性曲線

表4 單體電池參數表

圖7 單體電池放電特性曲線

4 純電動客車的AVL CRUISE仿真

4.1 純電動客車的AVL CRUISE建模

4.1.1 整車建模所用模塊

根據純電動汽車的結構，在AVL CRUISE軟件中選擇需要的模塊，將其移動到軟件的建模窗口中，整車模型如圖8。在本文中所用到建模模塊有Vehicle模塊、Electric Machine電機模塊、主減速器模塊、車輪模塊、電池模塊、駕駛室模塊、制動器模塊、差速器模塊、監控模塊、MATLAB控制模型等模塊。各模塊之間通過機械、電氣以及信號連接。

圖8 純電動客車整車模型

4.1.2 計算任務設置

建立完成純電動客車整車仿真模型后，為更好地評估整車動力性和經濟性，驗證整車性能指標，對相關計算任務進行設置。結合CRUISE軟件中的內置計算任務，在最大爬坡度計算任務中需選取“full”滿載條件，其他計算任務下均選取空載條件，且整車在“Roadway”下運行。具體計算任務如表5。

表5 計算任務

4.2 仿真結果分析

(1)動力性仿真結果分析

① 最高車速

通過Project創建Constant Drive任務對純電動客車最高車速進行仿真計算，計算結果如圖9所示，該車最高車速的仿真結果為69 km/h。

圖9 最高車速仿真計算結果

② 最大爬坡度

通過Project創建Climbing Performance任務對純電動客車最大爬坡度進行仿真計算，如圖10所示。當車速為20 km/h時，該車對應的爬坡度為23.20%，符合設計目標要求。

圖10 最大爬坡度仿真計算結果

(2)經濟性仿真結果分析

① 40 km/h等速行駛里程

圖11為車輛在40 km/h的等速工況下車速和行駛距離隨時間變化的結果圖，圖12為車輛在40 km/h的等速工況下運動100 km時，車輛的能量消耗結果圖。由計算結果可知，汽車行駛100 km所消耗電能約為70.61 kWh，能量消耗率為706.1 Wh/km，則178.2 kWh電池下的續航里程為252.4 km。

圖11 40 km/h等速工況

圖12 40 km/h等速工況仿真計算結果

② NEDC循環工況續駛里程

通過Cycle Run-NEDC循環工況對純電動客車行駛里程進行仿真計算，結果表明，在NEDC循環中，車輛共行駛了4.0291 km，所消耗能量為4.284 kWh，能量消耗率為1063.268 Wh/km，則178.2 kWh電池下的續航里程為189.47 km。

仿真結果與設計要求對比如表6，結果表明，與純電動客車動力系統參數匹配結果能夠滿足其動力性和經濟性等性能要求。仿真結果驗證了模型搭建的合理性。

表6 仿真結果與設計要求對比

5 結論

本文通過CRUISE軟件對純電動客車的動力性和經濟性進行分析。仿真結果表明，純電動客車的最高車速、最大爬坡度以及續航里程均滿足設計要求，驗證了動力系統參數匹配方法、仿真模型的合理性。