楊　陽，李耀華，劉　鵬(. 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院， 陜西 咸陽　7000；.長安大學(xué)汽車學(xué)院， 陜西 西安　70064)

汽車行駛工況對汽車的經(jīng)濟(jì)性分析、動力系統(tǒng)參數(shù)匹配、排放檢測及控制策略優(yōu)化具有重要作用，是汽車行業(yè)的一項(xiàng)共性基礎(chǔ)技術(shù)[1]。由于我國幅員遼闊，各地區(qū)的行駛工況與當(dāng)?shù)氐慕煌顩r有著密切關(guān)系，一個(gè)地區(qū)的典型循環(huán)行駛工況能夠較準(zhǔn)確地反映車輛在行駛中的實(shí)際行駛工況。

純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)的合理配置直接影響著車輛的整體性能水平。目前，純電動汽車根據(jù)不同的目標(biāo)和要求進(jìn)行參數(shù)匹配，主要分為以下幾類：以動力性為主要匹配和優(yōu)化目標(biāo)，針對某一總成部件進(jìn)行以經(jīng)濟(jì)性為主要目標(biāo)的優(yōu)化匹配，從整車需求角度進(jìn)行動力系統(tǒng)參數(shù)的綜合優(yōu)化[2]。根據(jù)車輛行駛特點(diǎn)中具有代表行駛特性的主要參數(shù)(最大速度、最大加速度、最大減速度、平均加速度、平均減速度參數(shù)等)進(jìn)行純電動城市客車的動力系統(tǒng)匹配。

本文利用試驗(yàn)器材Race-Technology真實(shí)記錄車輛行駛工況中的特征參數(shù)，進(jìn)行大量的路線數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，構(gòu)建了具有一定代表意義的純電動城市客車的循環(huán)行駛工況[3]。

目前，許多城市循環(huán)行駛工況主要由加速、減速和低速下的怠速組成。已經(jīng)構(gòu)建的城市循環(huán)工況數(shù)據(jù)采集以及傳統(tǒng)汽車都不能真實(shí)反映電動汽車的加速性能；因此，有必要構(gòu)建電動汽車循環(huán)行駛工況，并對電動汽車在實(shí)際行駛過程中的性能做出有效評價(jià)[4]。

1　構(gòu)建循環(huán)行駛工況

本文主要以西安市城市客車為研究對象采集行駛參數(shù)，滿足公交車適合單一地區(qū)區(qū)域運(yùn)營的需要，基于公交車行駛路線固定的特點(diǎn)，建立基于固定線路的車輛行駛工況，為純電動公共交通車輛的動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)[5]。

1.1　參數(shù)采集儀器

利用試驗(yàn)器材Race-Technology采集車輛行駛過程中的主要行駛特征參數(shù)是構(gòu)建循環(huán)行駛工況的數(shù)據(jù)來源。根據(jù)西安市區(qū)域交通特征，其覆蓋路網(wǎng)主要為水平道路，所以數(shù)據(jù)采集儀的坡度設(shè)置不必進(jìn)行從新設(shè)置[6]。

試驗(yàn)器材Race-Technology是用來記錄車輛行駛過程中的特征參數(shù)瞬時(shí)速度、瞬時(shí)加速度、瞬時(shí)間速度、行駛里程時(shí)間關(guān)系以及三維坐標(biāo)等相關(guān)數(shù)據(jù)，儀器包括GPS位置采集器、數(shù)據(jù)存儲卡、電池等，如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)儀器

西安市高新區(qū)目前運(yùn)營的純電動公交路線主要以12 m的BYD-K9純電動公交車為主，本文選取此車作為試驗(yàn)車輛，采集所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)車輛如圖2所示。

圖2　試驗(yàn)車輛

1.2　車輛行駛參數(shù)采集

道路試驗(yàn)是根據(jù)固定的公交線路采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取的公交車輛在正常的行駛狀況下，并且乘客在每個(gè)公交站點(diǎn)自由上下。在采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)候，采集儀器的磁塊GPS須正向垂直放置于車頂上面用于接收位置信息。車輛啟動時(shí)開始采集數(shù)據(jù)，車輛行駛到起始站時(shí)停止采集。儀器的采集數(shù)據(jù)頻率為100 Hz，其記錄的主要參數(shù)有車輛橫向、縱向、垂直方向的加速度，車輛行駛時(shí)間、瞬時(shí)車速、行駛瞬時(shí)加速度、行駛里程、位置信息等相關(guān)參數(shù)。試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)車輛須往返4次，采集數(shù)據(jù)主要集中在早、中、晚，基本包含了車流量的高峰時(shí)段與低峰時(shí)段。

因此，道路采集數(shù)據(jù)試驗(yàn)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、快捷地采集到大量相關(guān)有效車輛行駛數(shù)據(jù)，包括行駛車輛瞬時(shí)行駛的速度數(shù)據(jù)和車輛試驗(yàn)道路特征參數(shù)等，這些數(shù)據(jù)為研究構(gòu)建循環(huán)行駛工況的數(shù)據(jù)。

1.3　循環(huán)工況的構(gòu)建

根據(jù)不同的行駛狀況和交通條件，車輛的循環(huán)行駛工況構(gòu)建目前主要基于以下幾種方法：短行程分析法、定步長截取法、速度加速度矩陣分析法和馬爾科夫方法。車輛行駛工況的開發(fā)過程中引入主成分分析法進(jìn)行交通特征分析，使得反映道路交通特征的車速、加速度等多個(gè)短行程特征值都得到考慮的同時(shí)又簡化了所分析的問題[7]。

本文通過對以上行駛工況構(gòu)建方法的研究，最終選取短行程分析法作為循環(huán)行駛工況構(gòu)建方法[8]。

短行程分析法的具體構(gòu)建流程如下：

1)利用數(shù)據(jù)采集儀Race-Technology采集車輛行駛過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

2)利用MATLAB編程進(jìn)行站點(diǎn)運(yùn)動區(qū)間的分割，獲得短行程片段；

3)利用MATLAB編程計(jì)算提取短行程特征參數(shù)值；

4)采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS對分割的眾多短行程片段進(jìn)行主成分分析和聚類分析，對短行程片段提取特征參數(shù)中的主成分及貢獻(xiàn)率實(shí)現(xiàn)降維處理，其次對具有代表性的低、中、高速行駛片段進(jìn)行聚類；

5)根據(jù)不同短行程片段的數(shù)據(jù)、特征和各類片段在總體中所占比例，提取并重新合成滿足目標(biāo)工況長度要求的短行程片段，構(gòu)建典型循環(huán)工況。短行程瞬態(tài)工況構(gòu)建流程如圖3所示。

圖3　短行程瞬態(tài)工況構(gòu)建流程圖

根據(jù)以上方法處理后的數(shù)據(jù)合成西安市市區(qū)城市客車行駛工況如圖4所示。

圖4　西安市市區(qū)城市客車行駛工況(XATD-HBUS)

2　純電動城市客車動力系統(tǒng)匹配

電動汽車的動力系統(tǒng)主要由驅(qū)動電機(jī)、動力電池、傳動系統(tǒng)3個(gè)模塊組成。提高行駛里程和降低開發(fā)成本，則需要對動力系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行合理的匹配?，F(xiàn)階段，為增加電動汽車的續(xù)航里程、提高動力性能，動力電池和其他關(guān)鍵技術(shù)已有了重大突破，針對電動汽車動力系統(tǒng)各模塊的參數(shù)合理匹配研究是目前急需解決的關(guān)鍵技術(shù)[9]。

目前市場運(yùn)營的BYD-K9的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　BYD-K9基本參數(shù)

2.1　驅(qū)動電機(jī)參數(shù)的選擇

2.1.1驅(qū)動電機(jī)類型的選擇

驅(qū)動電機(jī)主要有以下幾種類型：有換向器的直流電動機(jī)、無換向器的感應(yīng)電動機(jī)、永磁電機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)。由于永磁無刷電機(jī)系統(tǒng)具有較高的效率與轉(zhuǎn)矩慣量比，同時(shí)在電動汽車上逐漸被廣泛應(yīng)用；因此本文選取永磁式同步電機(jī)。

2.1.2驅(qū)動電機(jī)最大功率和額定功率的選擇

由整車行駛時(shí)的動力性指標(biāo)最高車速、最大爬坡度和加速時(shí)間可知，電動機(jī)參數(shù)的匹配選擇必須滿足上述動力性指標(biāo)的每一項(xiàng)要求，即最大功率

Pmax≥max(Pmax1,Pmax2,Pmax3)。

不計(jì)坡道阻力時(shí)，最高車速下所需求的動力系統(tǒng)的最大功率為

式中：m為整車整備質(zhì)量；f為滾動阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積。

以最低通過車速行駛在某一坡度路面時(shí)，動力系統(tǒng)的最大功率需求為

電動汽車起步加速過程可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式表示為

式中：x為擬合系數(shù)，通常取 0.5 左右；vm和tm分別為車輛的末速度和加速時(shí)間。

一般情況下考慮汽車在水平路面上加速，由汽車加速時(shí)的動力學(xué)方程可知，其瞬態(tài)過程總功率為

式中：δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.06；dt為根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選取的迭代步長，通常選取步長為0.1 s。

汽車在加速行駛過程的末時(shí)刻，電機(jī)輸出最大功率

根據(jù)車輛循環(huán)行駛工況的特征參數(shù)，將車輛參數(shù)帶入公式求取滿足行駛過程中的驅(qū)動電機(jī)的最大功率。綜合考慮汽車行駛時(shí)的動力性要求，確定電動機(jī)最大功率

Pmax=max(Pmax1,Pmax2,Pmax3)=155.25 kW。

確定電機(jī)的最大功率取整為Pmax=160 kW。

在確定驅(qū)動電機(jī)的額定功率時(shí)，必須滿足車輛行駛最高車速的最大功率，即額定功率

P額≥54.49 kW。

式中：λ為電機(jī)過載系數(shù) (電機(jī)過載系數(shù)λ一般取 2～3)。

根據(jù)以上綜合考慮，本文選取的電機(jī)額定功率為55 kW。

2.1.3驅(qū)動電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩的確定

驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩根據(jù)電機(jī)額定功率與額定轉(zhuǎn)速計(jì)算確定，其計(jì)算式為

則電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Tmax=λT。

本文選取λ=2時(shí)，計(jì)算出的電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Tmax=300.14 Nm。

2.1.4驅(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的選擇

電機(jī)恒功率區(qū)系數(shù)β即為驅(qū)動電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之比,系數(shù)β對于電機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)的轉(zhuǎn)矩有較大影響，系數(shù)β越大在低轉(zhuǎn)速區(qū)可獲得較大的轉(zhuǎn)矩，系數(shù)越小在低轉(zhuǎn)速區(qū)的轉(zhuǎn)矩較小。根據(jù)理想的電機(jī)特性曲線得知，恒功率區(qū)系數(shù)β的合理選取對車輛的動力性有一定的影響；但系數(shù)β越大電機(jī)的工作電流就越大，也會造成逆變器功率的損耗和尺寸的增大[10]，一般取值2～4。本文綜合考慮選取系數(shù)為2，控制電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速在2 250～4 500 r/min之間。

2.2　驅(qū)動電動機(jī)額定電壓的選擇

在對純電動汽車驅(qū)動電機(jī)的額定電壓參數(shù)選取時(shí)須考慮動力電池組的電壓大小。由于功率的大小等于電壓與電流之積，在輸出功率一定時(shí)，對于電路中導(dǎo)線安全性考慮，適當(dāng)增大電池組電壓則可以減小電流，反之電壓越小電流越大，較大的電壓對電路中的連接導(dǎo)線及開關(guān)等元件要求相應(yīng)降低；但是電壓增大，需要串聯(lián)的電池?cái)?shù)量也需要增加，從而對整車的質(zhì)量、動力性及成本都有一定影響[11]。

綜合考慮上述情況下，確定驅(qū)動電機(jī)的額定電壓為200～350 V，最終選取確定驅(qū)動電機(jī)的額定電壓為336 V。

2.3　驅(qū)動電動機(jī)參數(shù)的確定

綜合以上計(jì)算結(jié)果和分析，本文選取的電機(jī)具體參數(shù)如表2所示。

表2　驅(qū)動電動機(jī)參數(shù)

考慮單個(gè)電機(jī)質(zhì)量、峰值功率過大，目前中國市場生產(chǎn)的商用車驅(qū)動電機(jī)還不能滿足其性能要求，其次，由于BYD-K9采用的是輪邊電機(jī)驅(qū)動的形式，無變速器傳動軸等，所以在仿真對比的過程中無法與BYD-K9形成鮮明的對比結(jié)果；因此，采用與BYD-K9同樣的動力傳遞布置方式，雙電機(jī)驅(qū)動下的最終電機(jī)具體參數(shù)如表3所示。

表3　驅(qū)動電動機(jī)參數(shù)

2.4　輪邊減速器速比的選取

行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)緊湊，其減速比大，作為輪邊驅(qū)動減速器是比較理想的選擇，并且目前就國內(nèi)外的技術(shù)水平，對機(jī)械減速器形式的可行性研究綜合考慮，行星齒輪減速器被普遍認(rèn)為具有良好的性能。

有行星齒輪機(jī)構(gòu)的一般運(yùn)動規(guī)律的特性方程為

n1+an3-(1+a)n4=0。

式中a為從動輪與主動輪的齒數(shù)比。

可以求出這3種結(jié)構(gòu)方案的輪邊減速器速比i13:

當(dāng)太陽輪為主動件，行星齒輪架為從動件，而齒圈固定時(shí)，

當(dāng)齒圈為主動件，行星齒輪架為從動件，而太陽輪固定時(shí)，

當(dāng)太陽輪為主動件，齒圈為從動件，而行星齒輪架固定時(shí)，

式中：n1、n3、n4分別為太陽輪、齒圈、行星輪架的轉(zhuǎn)速；z1、z3為太陽輪、齒圈的齒數(shù)。

根據(jù)汽車的傳動特點(diǎn)，對于減速器的位置布置和合理的離地間隙應(yīng)給予考慮。本文采用齒圈為主動件，行星齒輪架為從動件，太陽輪固定。

在滿足轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩的條件下，盡可能減小減速器的體積，方便布置，所以文中選取太陽輪、齒圈的齒數(shù)z1、z3分別為107和17(圓柱形齒輪齒數(shù)選取大于等于17，齒數(shù)嚙合最好選取互為質(zhì)數(shù)原則)。

根據(jù)上面選取參數(shù)，最終確定減速器速比6.29。

2.5　動力電池的參數(shù)匹配

為了滿足整車行駛的動力性與續(xù)航里程的要求，對于電動汽車的動力電池系統(tǒng)的能量密度和功率密度都有較高的要求；其次應(yīng)保證選取的電池組系統(tǒng)具有多次循環(huán)充放電后對電池整體的充放電特性影響不大；最后電池組應(yīng)具有性價(jià)比高、放電穩(wěn)定、免維護(hù)等特點(diǎn)。

2.5.1動力電池類型的選擇

動力電池類型的選擇應(yīng)綜合考慮不同類型電池的充、放電特性和其抗撞擊安全特性來選取。近年來，鋰離子電池的優(yōu)越性能得到了廣泛的認(rèn)可，其具有良好的安全性能；因此，選取鋰離子電池組作為純電動汽車的動力源，根據(jù)以上要求綜合考慮選取磷酸鐵鋰電池。

2.5.2電池組電壓的選擇

對于電池組電壓的選取，首先應(yīng)保證與電機(jī)額定電壓相同，同時(shí)要滿足在行駛過程中電機(jī)電壓的不斷變化；其次應(yīng)考慮車輛在行駛過程中車載用電設(shè)備，所以確定電池組總電壓應(yīng)稍微大于電機(jī)的額定電壓；最后為了避免影響車輛行駛里程由于電池低電壓太早。綜合考慮以上要求確定電池組電壓為336 V。

2.5.3電池組能量的選擇

在選取電池組能量時(shí)，主要根據(jù)純電動汽車的續(xù)航里程、單體電池組規(guī)格來確定。隨著車輛的續(xù)航里程的增大，電池組能量則相應(yīng)的增大，電池組的體積、質(zhì)量對整車的空間布置和裝備質(zhì)量都會造成影響。純電動車輛的續(xù)航里程主要根據(jù)車輛行駛的工況或者恒速行駛耗能法測定。

本文的電池系統(tǒng)采用磷酸鐵鋰電池組(單個(gè)電池規(guī)格為3.2 V/200 Ah)作為純電動汽車的動力蓄電池。本文根據(jù)恒速測定法假設(shè)車輛一次充滿電時(shí)以va=25 km/h車速均速行駛的續(xù)駛里程不小于240 km，則其所需的功率可由下式計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算：P1=20.42 kW。

考慮車輛在行駛過程中的其他用電設(shè)備電能消耗，根據(jù)車輛行駛的里程與車載用電設(shè)備的功率大小，設(shè)定車輛行駛時(shí)車載用電設(shè)備開啟消耗0.9 kW，則整個(gè)行駛工況消耗功率P2為21.32 kW。

根據(jù)理論計(jì)算車輛行駛里程S=240 km所需的電能為

W=P2·t=P2·(S÷va)=204.67 kWh。

根據(jù)行駛里程數(shù)和所需能量的要求選取電池的個(gè)數(shù)，計(jì)算公式如下：

W=n·η·u·C/1 000。

式中：n為電池個(gè)數(shù)；η為電池在放電過程中不能超過自身總電量的 80%，取 0.8；u為單個(gè)電池的電壓，3.2 V；C為單個(gè)電池的容量，200 Ah。

根據(jù)計(jì)算得出所需電池?cái)?shù)n為400.39，取整得n=400。由修正后的電池?cái)?shù)得出車輛行駛里程S=240 km所需的電能W=205 kWh。

因此，本文選用單體電壓為3.2 V、電池容量為200 Ah的單只磷酸鐵鋰電池400只。

由于n=400單體電池串聯(lián)，總電壓為1 280 V，對于安全防護(hù)保護(hù)措施要求極高；故選取串-并連的方式，105串4并的方式使總電壓保持在336 V左右。

3　基于循環(huán)工況的參數(shù)匹配車輛仿真

3.1　整車仿真模型的搭建

利用軟件中的模塊搭建模型，并對各個(gè)模塊中的仿真參數(shù)根據(jù)之前匹配的動力系參數(shù)錄入，搭建整車模型，BYD-K9布置結(jié)構(gòu)同雙電機(jī)模型，如圖5所示。

圖5　仿真車輛模塊搭建

3.2　動力性理論計(jì)算結(jié)果

牽引力與轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式為

而轉(zhuǎn)速與車速的計(jì)算公式為：

車輛在行駛過程中以變加速行駛，理論計(jì)算是以最大加速度勻加速行駛，加速度計(jì)算公式如下：

基于汽車恒功率區(qū)工作，根據(jù)公式得到汽車的最高車速ua=67.05 km/h。

最大爬坡度計(jì)算依據(jù)汽車行駛過程中的最大轉(zhuǎn)矩和忽略空氣阻力計(jì)算得最大爬坡度為19%。根據(jù)公式得汽車的理論最大加速度為2.03 m/s2。

3.3　動力性仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6　匹配車輛動力性仿真結(jié)果

圖7　BYD-K9動力性仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，起步加速階段電機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩輸出，完成起步加速后在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)工作，如圖所示匹配車輛行駛過程中的最大加速度為2.59 m/s2，BYD-K9行駛過程中的最大加速度為2.96 m/s2。

車輛的最大爬坡度指車輛在行駛過程中以原地起步(半坡停車起步)或者以較低車速上坡時(shí)汽車在良好路面上的最大爬坡度。根據(jù)圖8和圖9得出匹配車輛及BYD-K9的最大爬坡度如表4所示。

圖8　匹配車輛的最大爬坡度

圖9　BYD-K9的最大爬坡度

表4　車輛的最大爬坡度

3.4　經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

本文基于理論匹配后的車輛模型與高新區(qū)運(yùn)營的BYD-K9在構(gòu)建的循環(huán)工況下進(jìn)行仿真驗(yàn)證，目的在于說明匹配優(yōu)化后的電動車電能消耗明顯小于BYD-K9純電動城市客車，在動力性方面雖比BYD-K9純電動公交車動力性稍差，但滿足高新區(qū)行駛要求。

3.4.1循環(huán)工況圖導(dǎo)入

利用仿真軟件自帶的循環(huán)工況表格格式Table editor對應(yīng)的修改填入在構(gòu)建西安市市區(qū)城市客車行駛工況(XATD-HBUS)時(shí)的數(shù)據(jù)，修改后的數(shù)據(jù)如圖10所示[12]。

圖10　循環(huán)工況導(dǎo)入數(shù)據(jù)

以下經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果均在本文構(gòu)建的循環(huán)工況下進(jìn)行驗(yàn)證，匹配車輛及BYD-K9的能耗仿真結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11　匹配車輛循環(huán)工況能耗

圖12　BYD-K9循環(huán)工況能耗

3.4.2仿真結(jié)果對比分析

仿真結(jié)果對比分析如表5所示。

表5　仿真結(jié)果對比分析

4　結(jié)論

1)通過對西安市純電動公交車的行駛數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建具有代表性的區(qū)域車輛循環(huán)行駛工況，并進(jìn)行純電動城市客車的驅(qū)動電機(jī)、動力電池組以及輪邊減速器速比的動力系參數(shù)匹配。

2)利用AVL-CRUISE仿真軟件，通過仿真結(jié)果的分析，匹配車輛的動力傳動速比為定值，對于動力性有影響，但滿足高新區(qū)行駛要求，電能消耗明顯小于BYD-K9純電動城市客車。

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