城市純電動公交動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真*

田韶鵬　譚榮遠(yuǎn)

(武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實驗室1)　武漢　430070) (武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2)　武漢　430070)

城市純電動公交動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真*

田韶鵬1,2)譚榮遠(yuǎn)1,2)

(武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實驗室1)武漢430070) (武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2)武漢430070)

摘要：以一款純電動公交車輛為例，根據(jù)車輛的動力性能要求，對車輛的動力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配，運(yùn)用Cruise軟件搭建整車仿真模型，分別對帶有固定速比和四擋變速器兩種傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的車輛進(jìn)行仿真分析，在滿足設(shè)計要求的前提下，對比分析了2種車型的動力性能和經(jīng)濟(jì)性能.

關(guān)鍵詞：電動汽車；動力系統(tǒng)；參數(shù)匹配；變速器；仿真

純電動汽車相比于傳統(tǒng)汽車具有結(jié)構(gòu)簡單、無排放污染、噪聲低、能量轉(zhuǎn)換效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)[1].但目前純電動汽車的發(fā)展還有許多不足，如研發(fā)與制造成本高、充電時間長、續(xù)駛里程短等都極大地制約了純電動汽車的興起與推廣.純電動汽車的動力來源于電動機(jī)，相比于傳統(tǒng)車輛的內(nèi)燃機(jī)，電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)更為平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速控制方便，因而純電動車輛可以采用固定速比的直驅(qū)傳動方式，減少了車輛的制造成本并免去了對變速器的復(fù)雜控制.但直驅(qū)車輛對復(fù)雜工況的適應(yīng)能力差，爬坡能力不強(qiáng)，驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況較為分散，無法集中在高效率區(qū)，從而影響了整車的經(jīng)濟(jì)性能.配備適當(dāng)速比的變速器能夠有效調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的工作區(qū)間，增強(qiáng)車輛的爬坡能力，進(jìn)而提升動力性能和經(jīng)濟(jì)性能.Cruise軟件可以用于傳統(tǒng)汽車及新能源汽車的動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、尾氣排放系統(tǒng)的輔助開發(fā)以及整車性能的仿真與優(yōu)化，運(yùn)用軟件進(jìn)行模擬仿真可以大量節(jié)省原型試驗所需的成本，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期.

1整車參數(shù)和設(shè)計要求

1.1參考車輛的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

選用純電動城市客車作為參考車輛，該車沿用了傳統(tǒng)車輛的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將輸出動力源內(nèi)燃機(jī)改成了驅(qū)動電機(jī)，采用后輪驅(qū)動的方式，參考車輛動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖見圖1.

圖1　參考車輛動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

1.2參考車輛的整車參數(shù)

所選參考車輛的基本參數(shù)見表1.

表1　整車參數(shù)

1.3整車性能設(shè)計要求

依據(jù)車輛在中國典型城市工況下的運(yùn)行特點(diǎn)，給定了城市純電動公交客車性能的設(shè)計要求，見表2.

表2　整車性能設(shè)計要求

2動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.1驅(qū)動電機(jī)參數(shù)匹配

驅(qū)動電機(jī)作為純電動汽車的惟一動力來源，它的性能在很大程度上決定了純電動汽車整車的性能.因此，驅(qū)電動機(jī)的合理選擇及參數(shù)匹配，是純電動汽車動力系統(tǒng)的研究設(shè)計與性能優(yōu)化的關(guān)鍵因素.

2.1.1電機(jī)功率的確定

電動機(jī)具有一定的效率特性，在特定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩條件下對應(yīng)特定的效率.由于車載動力電池所攜帶的能量是有限的，在選擇驅(qū)動電機(jī)時，盡量使驅(qū)電動機(jī)在實際工作過程中經(jīng)常處于高效率的范圍內(nèi)，以獲得較高的能量轉(zhuǎn)化效率.

1) 根據(jù)最高車速選擇電動機(jī)功率在選擇驅(qū)動電機(jī)功率時既要使整車具有正常的車速，也要根據(jù)車輛的用途，使電動機(jī)經(jīng)常于較高負(fù)荷條件下運(yùn)行，并且能使車輛在良好的工況下能夠以較高的車速行駛[2].對于城市純電動公交客車而言，以中低速行駛的工況占有很大的比例，因此電動機(jī)的功率不宜選得過大，否則會使電動機(jī)經(jīng)常工作于低負(fù)荷、低效率區(qū)，整車能量利用率低.根據(jù)所要求達(dá)到的最高車速，可以初步選定電動機(jī)所需的功率[3].

(1)

式中:P1為驅(qū)動電機(jī)額定功率，kW；m為整車質(zhì)量，kg；η為傳動系統(tǒng)機(jī)械效率；f為滾動阻力系數(shù)；A為車輛迎風(fēng)面積，m2；vmax為最高車速，km·h-1；CD為風(fēng)阻系數(shù).

2) 根據(jù)加速性能選擇電動機(jī)功率所選驅(qū)動電機(jī)的功率越大，車輛的后備功率越大，加速性能越好.但電動機(jī)功率增大其重量也會大大增加，增加電動汽車的能量消耗.電動汽車在ta時間內(nèi)，在水平路面上從靜止加速到v所需的功率P2為

(2)

式中：P2為滿足加速性能所需的電動機(jī)峰值功率，kW；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù).

3) 根據(jù)爬坡性能選擇電動機(jī)功率所選用的電動機(jī)應(yīng)保證電動汽車在某一最小車速vc(取15 km·h-1)時能夠爬上一定的坡度i，此時電動機(jī)所需功率可由式(3)估算得出.

(3)

式中：P3為爬坡時所需的電動機(jī)峰值功率，kW；i為爬坡度，%.

純電動汽車驅(qū)動電機(jī)的峰值功率應(yīng)能同時滿足最高車速、加速性能，以及爬坡性能的要求，所以驅(qū)動電機(jī)的峰值功率應(yīng)取[4-5]

(4)

2.1.2電動機(jī)額定電壓的選擇

額定電壓是電動機(jī)的一項重要性能參數(shù)，通常是由所選電機(jī)的參數(shù)決定的.純電動汽車驅(qū)動電機(jī)的額定電壓與車載電池組的電壓密切相關(guān).相同輸出功率下，如果電池組電壓高，則放電電流較小，對電器元件的要求也會隨之降低.但高電壓意味著需要串聯(lián)更多的單體電池，不僅增加了電池組的重量，由于單體電池不均勻性帶來的影響也會上升.電壓過低時，車輛工作電流較高，對連接導(dǎo)線的要求高，損耗功率上升.

因此，合理選擇電動機(jī)的額定電壓對提高電動汽車的整車性能具有重要意義.結(jié)合所選電動機(jī)的功率值，電動機(jī)的額定電壓選為400 V.綜合上述結(jié)果，電動機(jī)的基本參數(shù)見表3.

表3　驅(qū)動電機(jī)基本參數(shù)

2.2動力電池參數(shù)匹配

當(dāng)電動汽車以車速v0(取40 km·h-1)勻速行駛時，電動機(jī)所需的功率可由式(5)計算.

(5)

式中：P0為車輛以40 km·h-1勻速行駛時所需的理論功率,kW.

電動汽車行駛S(單位：km)所需的總能量W0為[6-7]

(6)

車載電池組所能攜帶的總能量W為

W = U·C/1 000kWh

(7)

式中：U為電池組平均工作電壓，V；C為電池組總?cè)萘?，Ah.

為避免動力電池組的過充電與過放電行為，將電池組的起始放電SOC(state of charge, SOC)值設(shè)定為90%，終止放電SOC值設(shè)定為10%，電池組容量為

(8)

初步估算出所需要的電池組容量約為300 Ah.

2.3傳動比參數(shù)匹配

2.3.1最小傳動比的選擇

最小傳動比是根據(jù)電動汽車的最高車速和驅(qū)動電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速來確定的.

(9)

式中：nmax為電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，r·min-1；imin為最小傳動比；r為車輪滾動半徑.

2.3.2最大傳動比的選擇

對于配備了多檔位變速器的電動汽車傳動系統(tǒng)，其最大傳動比即為變速器I檔傳動比i1與主減速器傳動比i0的乘積.

1) 車輛在爬坡時車速較低，空氣阻力相比與爬坡阻力可忽略不計，汽車的最大驅(qū)動力為

(10)

即

(11)

(12)

式中：Ff為滾動阻力，N；Fimax為坡度阻力，N；αmax為最大爬坡度；Tm為最高轉(zhuǎn)矩，Nm.

2) 確定最大傳動比后應(yīng)該驗證是否滿足附著條件，即

(13)

式中：Fz為驅(qū)動輪受到的地面垂直反力；φ為附著系數(shù)，取0.5～0.6.

傳動比匹配結(jié)果見表4.

3在Cruise中建模與仿真

3.1整車模型的建立

依據(jù)電動汽車的結(jié)構(gòu)，將車輛各個部件模塊逐一添加至Cruise建模平臺中，建立正確的電氣連接與機(jī)械連接，隨后將完整的數(shù)據(jù)輸入到各個模塊中，設(shè)置所需的計算任務(wù)并開始進(jìn)行仿真計算.模型中包括整車參數(shù)模塊、變速器模塊、主減速器模塊、車輪模塊、制動器模塊、驅(qū)動電機(jī)模塊、差速器模塊、駕駛員模塊、防滑模塊、電耗單元模塊、電池模塊、制動控制模塊、驅(qū)動控制模塊、監(jiān)控模塊、常數(shù)設(shè)置模塊等.

表4　傳動比匹配結(jié)果

3.2計算任務(wù)的設(shè)定

動力性能和經(jīng)濟(jì)性能是評價車輛性能優(yōu)劣的主要依據(jù).本次分析中純電動公交客車的主要計算任務(wù)包括在中國典型城市公交循環(huán)工況下的仿真計算、40 km·h-1勻速工況下的仿真計算、0～50 km·h-1加速時間計算、最大爬坡度的計算，以及最高車速的計算等.

中國典型城市循環(huán)工況總行駛里程約為5.9 km，歷時1 314 s，最高車速60 km·h-1，具體工況見圖2.

圖2　中國典型城市公交工況

4計算結(jié)果分析

4.1固定速比車型仿真結(jié)果

圖3為固定速比純電動公交客車的爬坡性能曲線.由圖3可見，該車在車速15 km·h-1時爬坡度約為15.4%，滿足爬坡性能的設(shè)計要求.

圖3　固定速比車型爬坡性能曲線

圖4為車輛加速性能曲線，由圖4可見，該車從速度為零加速到50 km·h-1所需時間為14.81 s，滿足車輛的加速性能要求.

圖4　固定速比車型加速性能曲線

圖5為在40 km·h-1勻速工況下動力電池SOC變化曲線.由圖5可以得出該車?yán)m(xù)駛里程為222.3 km，滿足了車輛續(xù)駛里程的要求.

圖5　固定速比車型勻速工況電池SOC變化曲線

4.2帶變速器車型仿真結(jié)果

圖6為帶有變速器的純電動公交客車的爬坡性能曲線.由圖6可見，該車在車速15 km·h-1時爬坡度約為26%，爬坡性能相對于固定速比車型有大幅提升.

圖6　帶變速器車型爬坡性能曲線

圖7為車輛加速性能曲線.由圖7可見，該車從速度為零加速到50 km·h-1所需時間為12.09 s，滿足車輛的加速性能指標(biāo).

圖7　帶變速器車型加速性能曲線

圖8為在40 km·h-1勻速工況下動力電池SOC變化曲線.由圖8可見，該車?yán)m(xù)駛里程為228.8 km，滿足了車輛續(xù)駛里程的要求.

圖8　帶變速器車型勻速工況電池SOC變化曲線

4.3對比分析

將2種車型仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行對比，結(jié)果見表5.

表5　仿真結(jié)果對比

由仿真結(jié)果可得，2種車型的各項性能指標(biāo)均滿足設(shè)計要求.與固定速比的純電動公交客車相比，配備有變速器的純電動公交客車在動力性能和經(jīng)濟(jì)性能上都有所提升，循環(huán)工況下電耗降低1.68%，40 km·h-1勻速工況下電耗降低2.84%.

5結(jié) 束 語

根據(jù)城市純電動公交客車的性能需求，對車輛的驅(qū)動電機(jī)、動力電池以及傳動比進(jìn)行了匹配設(shè)計.運(yùn)用Cruise軟件搭建了整車仿真模型，分析了固定速比車型和帶有多檔變速器車型的純電動公交客車的動力性能和經(jīng)濟(jì)性能.仿真結(jié)果表明，配備了多檔變速器的車型在爬坡性能、加速性能和續(xù)駛里程都有所提升，在循環(huán)工況和勻速續(xù)航工況下的電耗均降低.仿真結(jié)果可為今后純電動汽車的優(yōu)化設(shè)計提供重要的數(shù)據(jù)參考.

參 考 文 獻(xiàn)

[1]麻良友，嚴(yán)運(yùn)兵.電動汽車概論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

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[6]TIAN Shaopeng, WANG Yang, WU Lei. Parameters matching and effects of different powertrain on vehicle: performance for pure electric city bus[J]. SAE International Paper,2015-01-2799,2015.

[7]TIAN Shaopeng, WU Lei, WANG Yang. Simultaneous optimization of power train parameter and control strategy in a plug-in hybrid electric bus[J]. SAE International Paper，2015-01-2828, 2015.

Parameter Matching and Simulation of Powertrain for Pure Electric City Bus

TIAN Shaopeng1,2)TAN Rongyuan1,2)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)2)

Abstract：By taking a type of pure electric bus as an example, the simulation models of the vehicle are built in CRUISE. The parameters of powertrain for vehicle are matched, based on the given dynamic performance requirements of vehicle. Two types of models with different powertrain structures, which are fixed ratio and four-speed transmission, are simulated respectively. Finally, the comparative analysis is given to the dynamic and economic performance of the two kinds of vehicles on the premise of meeting the design requirements.

Key words：electric vehicle; powertrain; parameter match; transmission; simulation

收稿日期：2016-04-15

中圖法分類號：U462.22

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.008

田韶鵬(1974- )：男，博士，教授，主要研究領(lǐng)域為變速器設(shè)計與測試、車用新型動力裝置及動力系統(tǒng)仿真技術(shù)等

*國家“863”基金項目資助(2011AA11A260)