田國富，馬書新，高 峰

(沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

純電動客車動力性匹配計算與仿真

田國富，馬書新，高 峰

(沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

為實現(xiàn)純電動客車的動力性匹配計算，介紹了電動客車整體布局和參數(shù),并建立了動力總成數(shù)學模型。對電機進行了合理的選擇和匹配計算,用MATLAB/Simulink模塊對客車動力性能進行仿真。計算和仿真結(jié)果滿足預(yù)期要求。

純電動客車;動力性；匹配計算；仿真

0 引言

環(huán)境污染和能源危機目前正備受關(guān)注，發(fā)展電動汽車是緩解兩大問題的有效途徑[1]。隨著國家對研制電動汽車投資補貼的力度加大，各高校企業(yè)對電動汽車的研制也逐步增加。而制約電動汽車發(fā)展的主要因素是動力系統(tǒng)問題，也就是其續(xù)駛能力，所以，研究分析電動汽車的動力性能十分重要。本文著重對某車型的動力性能進行了計算、建模、分析等過程，為后續(xù)研究提供幫助。

1 電動客車動力總成總體布局

圖1所示為本文研究純電動客車動力總成的總體布局。動力系統(tǒng)作為電動汽車的核心區(qū)別于傳統(tǒng)汽車在于其以電機為核心[2]。動力系統(tǒng)的功能是把儲存在蓄電池中的化學能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動汽車行駛的機械能，并可以通過汽車減速實現(xiàn)再生制動。

圖1 動力總成結(jié)構(gòu)圖

驅(qū)動電機的作用是將電池中的電能轉(zhuǎn)化為機械能，由傳動系統(tǒng)或者直接驅(qū)動車輪，目前，隨著技術(shù)的發(fā)展，傳動的電機逐步被無刷電動機(BCDM)、開關(guān)磁阻電動機(SRM)等取代[3]。本研究采用的是由北京佩特來電機驅(qū)動技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號為DDM110的水冷、永磁同步、外轉(zhuǎn)子、6相、雙繞組電動機。

2 動力性能評定指標

電動汽車的動力性能主要通過加速性能、爬坡性能、最高車速性能這三個要素來評定[4]。選用的電機功率應(yīng)該同時滿足汽車的最高車速、加速時間和爬坡性能的要求。

以最高車速對應(yīng)消耗的功率為：

(1)

式中，PV為電動汽車以最高車速行駛消耗的功率，單位kW;ηt為傳動效率；M為整車質(zhì)量，單位kg；Vmax為最高車速，單位km/h；fr為滾動阻力系數(shù)；CD為風阻系數(shù)；Af為迎風面積，單位m2。

以某車速爬坡對應(yīng)消耗的功率為[5]：

(2)

式中，i為坡度，V為汽車行駛速度。

某車速在水平路面行駛消耗的功率為[6]：

(3)

電動機的額定功率應(yīng)取三者中的最大值：

Pe=max{PV,Pi,Pj}

(4)

汽車加速度的計算公式為：

(5)

加速時間：

(6)

汽車爬坡時的形式方程為：

Ft=Fi+Fr+Fw

(7)

式中，F(xiàn)i為坡道阻力，F(xiàn)i=Mgsinα；Fr為滾動阻力，F(xiàn)r=Mgfrcosα,α為坡道角度。

根據(jù)電機的轉(zhuǎn)矩可以計算汽車的驅(qū)動力是否滿足三個指標。

3 動力系統(tǒng)數(shù)學模型的建立

3.1 整車受力分析

對整車進行必要的受力分析，建立整車受力數(shù)學模型。電動汽車在行駛過程中主要受滾動阻力、空氣阻力、驅(qū)動力、加速阻力以及坡道阻力等影響[7]。整車受力分析圖如圖2所示。

圖2 整車受力分析圖

圖2中，G為汽車重力；Ff為滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fj為空氣阻力；Fi為坡道阻力。

汽車的行駛方程為[8]：

Ft=Ff+Fw+Fj+Fi

(8)

3.2 電動機模型

電機是電動汽車動力系統(tǒng)的核心部件，將電池中的化學能轉(zhuǎn)化為機械能供車輪運轉(zhuǎn)，本研究采用的是由北京佩特來電機驅(qū)動技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號為DDM110的水冷、永磁同步、外轉(zhuǎn)子、6相、雙繞組電動機。

圖3 永磁同步電動機的機械特性

此類永磁同步電機與其他交流電機相比，效率高、力矩慣量比高、能量密度高，是個環(huán)保低碳的電機。

該型電機的機械特性如圖3所示，當采用矢量控制法在額定轉(zhuǎn)速以下恒轉(zhuǎn)矩運轉(zhuǎn)時，定子電流相位領(lǐng)先β角，增加了轉(zhuǎn)矩并產(chǎn)生弱磁作用，使額定轉(zhuǎn)速點增高，增大了調(diào)速范圍。

電機的轉(zhuǎn)矩方程式為：

(9)

3.3 變速箱模型

變速箱是連接電動機和傳動軸用來改變傳動比的裝置，擴大傳動調(diào)節(jié)范圍，以滿足汽車在不同環(huán)境下的動力需求，本研究采用機械變速器，空擋時斷開轉(zhuǎn)矩傳遞，掛擋時傳遞轉(zhuǎn)矩。

變速箱空擋時的數(shù)學模型為[9]:

(10)

變速箱掛擋時的數(shù)學模型為[10]：

(11)

式中，Tti為變速箱的輸入轉(zhuǎn)矩；Tto為變速箱的輸出轉(zhuǎn)矩；Tmo為電機輸出轉(zhuǎn)矩；Jai為變速箱輸入軸轉(zhuǎn)動慣量；Jao為變數(shù)箱輸出軸轉(zhuǎn)動慣量；Jti為變數(shù)箱輸入轉(zhuǎn)動慣量；Jto為變數(shù)箱輸出轉(zhuǎn)動慣量；ωti為變數(shù)箱輸入轉(zhuǎn)速；ωto為變數(shù)箱輸出轉(zhuǎn)速；ig為變數(shù)箱檔位傳動比；ηt為變數(shù)箱傳動效率；ωto1為空擋時變數(shù)箱輸入轉(zhuǎn)速；a′為汽車加速度。

4 動力性能參數(shù)匹配計算與仿真

本研究參考BJ6123EVCA車型，主要參數(shù)如表1所示。

表1 整車技術(shù)參數(shù)

本研究采用的電機為北京佩特來電機驅(qū)動技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號為DDM110的水冷、永磁同步、外轉(zhuǎn)子、6相、雙繞組電動機。其主要參數(shù)如表2所示。

表2 電機技術(shù)參數(shù)

在MATLAB/Simulink環(huán)境下對系統(tǒng)的動力系統(tǒng)進行了仿真計算，圖4為動力系統(tǒng)仿真模型。

圖4 動力系統(tǒng)仿真模型

仿真結(jié)果如表4所示，由此可以看出，匹配計算和仿真結(jié)果滿足預(yù)期要求。

5 結(jié)論

針對電動汽車的動力性能要求，對純電動客車進行動

力性匹配計算。介紹了電動客車整體布局和參數(shù),并建立了動力總成數(shù)學模型。對電機進行了合理的選擇和匹配計算,用MATLAB/Simulink模塊對客車動力性能進行仿真。結(jié)果表明，汽車的動力性能參數(shù)均符合預(yù)期要求。

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[10] 黃立培.電動機控制[M].北京：清華大學出版社，2003.

Matching calculation and simulation of the power performance for an electric bus

Tian Guofu, Ma Shuxin, Gao Feng

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

The matching calculation of power performance for an electric bus is conducted. The overall layout and parameters of the bus are introduced，and the mathematical model of power assembly is established. The rational selection and matching calculation of motors are conducted, and the simulation of motors is conducted by MATLAB/Simulink. The results of calculation and simulation meet prospective requirements.

electric bus; power performance; matching calculation; simulation

U461.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.06.025

田國富，馬書新，高峰. 純電動客車動力性匹配計算與仿真[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(6)：84-85,88.

2016-09-22)

田國富(1968-)，男，博士，教授，主要研究方向：車輛工程。

馬書新(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：車輛工程。

高峰(1989-)，男，博士研究生，主要研究方向：模式識別與人工智能。