江興洋，鐘遠婷，吳 帥

(1.廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000；2.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000)

結(jié)合我國基本國情，積極推進純電動汽車的技術(shù)發(fā)展，對緩解環(huán)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(tǒng)的核心部件主要有驅(qū)動電機、電池和傳動系統(tǒng)，所以各個部件相關(guān)參數(shù)是否匹配，是影響整車動力性和經(jīng)濟性的重要因素[2]。與此同時，對純電動客車動力系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)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(xù)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(tǒng)參數(shù)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(jù)。

1 基本參數(shù)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(tǒng)車的發(fā)動機，電池相當于傳統(tǒng)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(shù)(表1)為基礎(chǔ)，以指定的動力性能和經(jīng)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(shù)

表2 設(shè)計目標參數(shù)要求

2 純電動客車驅(qū)動力分析

純電動客車動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計理論基礎(chǔ)為汽車動力學(xué)，根據(jù)整車的參數(shù)和性能指標要求得到動力系統(tǒng)參數(shù)。圖2為車輛的電機通過傳動系作用在驅(qū)動車輪上的力的示意圖，其中，經(jīng)過車輛的傳動系統(tǒng)，將電機的輸出轉(zhuǎn)矩Ttq傳輸至純電動車的驅(qū)動車輪，在驅(qū)動轉(zhuǎn)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(qū)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(qū)動汽車前進的力，也即為車輛所受到的驅(qū)動力[5]。

圖2 作用在車輪的受力圖

由所學(xué)的汽車理論可知上述力矩和力有以下關(guān)系：

Tt=Ttqigi0ηT

式中，Ttq(N·m)為電機的輸出驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；rr(m)為驅(qū)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(qū)動力Ft和行駛阻力Fr的影響，其中驅(qū)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(qū)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(gòu)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(tǒng)參數(shù)匹配

3.1 驅(qū)動電機參數(shù)匹配設(shè)計

驅(qū)動電機作為純電動客車的動力源，因此驅(qū)動電機的參數(shù)匹配將直接影響整車的動力性能。驅(qū)動電機的參數(shù)匹配主要包括額定功率、峰值功率、額定轉(zhuǎn)矩、峰值轉(zhuǎn)矩、最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，因此驅(qū)動電機需要較高的調(diào)速范圍。永磁同步電機具有功率密度高、轉(zhuǎn)矩性能好、最高轉(zhuǎn)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(qū)動電機。

(2)電機功率的選擇

驅(qū)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(zhì)量會相應(yīng)增加，同時還會使電機常處于欠載狀態(tài)，不僅降低了整車的經(jīng)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(dǎo)致電機長時間超載運轉(zhuǎn)，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(yīng)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(zhuǎn)速的選擇

根據(jù)電機轉(zhuǎn)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(huán)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(jié)約成本，因此本文選擇低速電機[10]。

(4)電機轉(zhuǎn)矩的選擇

電機額定轉(zhuǎn)矩和峰值轉(zhuǎn)矩可以根據(jù)上述求得的電機功率和轉(zhuǎn)速求得，計算公式為：

式中，Te為電機的額定轉(zhuǎn)矩；Tmax為電機的峰值轉(zhuǎn)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(xiàn)，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(yīng)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(shù)如表3所示。

圖4 電機轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線

圖5 電機轉(zhuǎn)速-效率特性曲線

表3 電機主要參數(shù)表

3.2 電池特性

為了滿足純電動客車的動力性和續(xù)航里程的要求，單體電池的數(shù)目應(yīng)當與驅(qū)動電機的最大輸出功率以及續(xù)航里程設(shè)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(jīng)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(lián)，26個單體電池并聯(lián)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(shù)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(shù)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(jù)純電動汽車的結(jié)構(gòu)，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(jiān)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(wù)設(shè)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(jīng)濟性，驗證整車性能指標，對相關(guān)計算任務(wù)進行設(shè)置。結(jié)合CRUISE軟件中的內(nèi)置計算任務(wù)，在最大爬坡度計算任務(wù)中需選取“full”滿載條件，其他計算任務(wù)下均選取空載條件，且整車在“Roadway”下運行。具體計算任務(wù)如表5。

表5 計算任務(wù)

4.2 仿真結(jié)果分析

(1)動力性仿真結(jié)果分析

① 最高車速

通過Project創(chuàng)建Constant Drive任務(wù)對純電動客車最高車速進行仿真計算，計算結(jié)果如圖9所示，該車最高車速的仿真結(jié)果為69 km/h。

圖9 最高車速仿真計算結(jié)果

② 最大爬坡度

通過Project創(chuàng)建Climbing Performance任務(wù)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(yīng)的爬坡度為23.20%，符合設(shè)計目標要求。

圖10 最大爬坡度仿真計算結(jié)果

(2)經(jīng)濟性仿真結(jié)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(jié)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(jié)果圖。由計算結(jié)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(xù)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(jié)果

② NEDC循環(huán)工況續(xù)駛里程

通過Cycle Run-NEDC循環(huán)工況對純電動客車行駛里程進行仿真計算，結(jié)果表明，在NEDC循環(huán)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(xù)航里程為189.47 km。

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

表6 仿真結(jié)果與設(shè)計要求對比

5 結(jié)論

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