柳建新，徐賢亞，尚明利，郭廣海

（1.鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州　450061；2.河南省鄭州市消防支隊(duì)，鄭州　450006）

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增程式電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)仿真分析

柳建新1，徐賢亞1，尚明利1，郭廣海2

（1.鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州450061；2.河南省鄭州市消防支隊(duì)，鄭州450006）

摘要：基于AVL/CRUISE和Matlab/Simulink軟件，結(jié)合某一款增程式電動(dòng)汽車能量管理策略的開發(fā)過程，對(duì)整車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配、仿真建模、能量管理等關(guān)鍵問題進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：增程式電動(dòng)客車；動(dòng)力系統(tǒng)；匹配設(shè)計(jì)；仿真分析

本文基于AVL/CRUISE和Matlab/Simulink軟件，搭建一款增程式電動(dòng)客車的整車仿真模型，作為后續(xù)控制參數(shù)優(yōu)化和硬件在環(huán)仿真的基礎(chǔ)[1]。AVL/CRUISE仿真軟件在研究汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能等方面簡(jiǎn)單快捷；Matlab/Simulink能夠非常直觀和方便地進(jìn)行能量管理策略建模，并與整車AVL/CRUISE模型進(jìn)行聯(lián)合仿真。因此，充分利用這兩個(gè)軟件各自的優(yōu)勢(shì)真正為電動(dòng)汽車的研究提供正向的、模塊化的仿真平臺(tái)，不僅可以提高研發(fā)效率，而且可以節(jié)約開發(fā)成本[2]。

1　系統(tǒng)建模

1.1增程式電動(dòng)客車簡(jiǎn)介

該增程式電動(dòng)客車主要由小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力電池和大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，如圖1所示。其中車輛直接由大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)機(jī)械連接，發(fā)動(dòng)機(jī)通過發(fā)電機(jī)給動(dòng)力電池補(bǔ)充能量。車輛在只使用電池能量的情況下，可以滿足城市居民日常出行的需要，夜間再通過電源給電池充電；而在長途行駛時(shí)需要使用發(fā)電機(jī)給動(dòng)力電池補(bǔ)充能量，滿足長距離行駛的需求[3-4]。

以某款傳統(tǒng)對(duì)標(biāo)車的整車性能指標(biāo)為參考，該增程式電動(dòng)客車的性能設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1　某款增程式電動(dòng)客車設(shè)計(jì)性能指標(biāo)

1.2仿真模型建立

CRUISE提供了一種圖形化的交互環(huán)境，用戶可以在已有的模塊箱，主要包括汽車、離合器、變速器、發(fā)動(dòng)機(jī)、電池、電機(jī)、控制器、特殊模塊、輪胎等中選取合適的模塊拖放到CRUISE的工作區(qū)，便能迅速地建立系統(tǒng)框圖；根據(jù)研究的需要添加相應(yīng)的控制模塊，并正確連接數(shù)據(jù)總線建立各模塊之間的連接，包括機(jī)械連接、電氣連接，便可很快得到系統(tǒng)模型。各個(gè)模塊的仿真參數(shù)的設(shè)置可以通過CRUISE的參數(shù)設(shè)置窗口來完成；對(duì)一些特性復(fù)雜的模塊（如電動(dòng)機(jī)），可以在參數(shù)設(shè)置窗口通過編輯圖表曲線建立曲線圖來完成參數(shù)設(shè)置[5]。

仿真模型分為整車模型和控制策略模型兩部分。整車模型由AVL/CRUISE搭建，而控制策略模型在Matlab/Simulink中搭建。AVL/CRUISE和Matlab/Simulink通過AVL/CRUISE提供的Interface接口進(jìn)行通訊：在Matlab/Simulink中將整車控制策略生成動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL文件，在AVL/CRUISE中進(jìn)行調(diào)用，從而構(gòu)成聯(lián)合仿真，如圖2和圖3所示。

為了保證增程式混合動(dòng)力客車較低的使用成本及節(jié)能減排效果，整車控制策略模型優(yōu)先使用電能，有如下3種工況：純電動(dòng)工況、發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電工況和滑行制動(dòng)回饋。整車主要運(yùn)行在純電動(dòng)工作模式，當(dāng)SOC值降低到20%時(shí)，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)通過發(fā)電機(jī)發(fā)電給整車提供能量，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)系統(tǒng)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)域；當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，主電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)能量回收[6-8]。具體模型如圖4所示。

2　仿真及結(jié)果分析

根據(jù)上述模型進(jìn)行仿真計(jì)算，在實(shí)際仿真過程中不斷標(biāo)定、修改零部件參數(shù)，使整車性能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1）主驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)的仿真計(jì)算。根據(jù)整車最大爬坡度設(shè)計(jì)需求，整車以25 km/h車速滿足12%最大爬坡度可以得出：主電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為2 400 N·m，基速為800 r/min，同時(shí)可以仿真算出主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定扭矩/功率為1 200 N·m/100 kW，峰值轉(zhuǎn)矩/功率為2 400 N·m/200 kW，采用永磁同步電機(jī)[9]。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)參數(shù)的仿真計(jì)算。為保證整車在沒有電的情況下的續(xù)航能力，匹配算出的小功率發(fā)電機(jī)功率為60 kW；搭載玉柴的小功率發(fā)動(dòng)機(jī)，型號(hào)為YC4E140-42，最大功率為100 kW，最大扭矩/轉(zhuǎn)速為430 N·m/1 000～2 200 r/min。

3）ISG電機(jī)參數(shù)的仿真計(jì)算。按照續(xù)駛能力的需求，可以仿真計(jì)算出ISG電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩/功率為300 N·m/45 kW，峰值轉(zhuǎn)矩/功率為600 N·m/60 kW，采用永磁同步電機(jī)。

4）動(dòng)力電池參數(shù)的仿真計(jì)算[10]。按照中國城市公交循環(huán)工況，電池SOC變化為80%DOD放電深度，保證120 km續(xù)駛里程。依據(jù)0.85 kW·h/km的公交工況電耗指標(biāo)，需匹配0.85×120/0.8=150 kW·h的電量。因此，電池參數(shù)選型為260 Ah，500 V。

5）仿真得到的整車性能指標(biāo)如表2所示。

表2　某款增程式電動(dòng)客車仿真性能指標(biāo)

通過上述圖表數(shù)據(jù)可以看出，該系統(tǒng)的動(dòng)力性指標(biāo)均可以滿足前期設(shè)計(jì)要求，且0～50 km/h的加速時(shí)間優(yōu)于前期設(shè)計(jì)；同時(shí)該系統(tǒng)也滿足200 km的純電動(dòng)行駛里程即208 km。

3　結(jié)束語

本文在分析增程式電動(dòng)客車工作原理的基礎(chǔ)上，利用CRUISE仿真軟件建立整車模型。在滿足整車動(dòng)力性的情況下，匹配出各個(gè)關(guān)鍵零部件的性能參數(shù)。這些分析結(jié)果可以為后續(xù)增程式電動(dòng)客車項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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修改稿日期：2015-08-24

Simulation Analysis on Matching Design of Power System for an Extended-range Electric Bus

Liu Jianxin1，Xu Xianya1, Shang Mingli1, Guo Guanghai2
（1.Zhengzhou Yutong Bus Co., Ltd, Zhengzhou 450061, China; 2. Firehouse Branch of Zhengzhou in He'nan, Zhengzhou 450006, China)

Abstract：Based on the AVL/CRUISE and Matlab/Simulink softwares, the authors combine with the development processes ofenergymanagement strategyfor an extended-range electric bus togive a research on the bus power systemparameters matching, simulation modeling, energymanagement and other keyproblems.

Key words:extended-range electric bus; power system; matchingdesign; simulation analysis

中圖分類號(hào)：U469.72；U461.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1006-3331（2016）02-0021-02

作者簡(jiǎn)介：柳建新（1984-），男，工程師；動(dòng)力系統(tǒng)工程師；主要從事新能源客車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作；申請(qǐng)專利多項(xiàng)。