純電動客車動力匹配與仿真研究

童寒川+夏偉

摘 要：文章根據(jù)純電動客車的整車尺寸參數(shù)和設(shè)計要求，分析計算動力源的需求功率及其它主要部件的理論參數(shù)，在滿足車輛動力性和經(jīng)濟性指標(biāo)的前提下，對整車動力系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)匹配。并在CRUISE軟件環(huán)境中搭建純電動客車的仿真模型，設(shè)定仿真計算任務(wù)，對整車的動力性和經(jīng)濟性進(jìn)行仿真計算， 同時分析了不同傳動比對整車動力性和經(jīng)濟性的影響。驗證了動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計的正確性和可行性，為純電動客車動力系統(tǒng)的設(shè)計和研發(fā)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：純電動客車；動力系統(tǒng)；CRUISE；仿真；參數(shù)匹配

中圖分類號：U270.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）05-0025-05

Research on Power matching and Simulation of Pure Electric Bus

TONG Han-chuan1， XIA Wei2

（ 1 .Automotive Technology and Service School， Wuhan City Vocational College， Wuhan430064， China； 2.Automotive Engineering School， Wuhan University of Technology， Wuhan430070， China ）

Abstract： Based on the vehicle shape size parameters and design requirements， the required power of electromotor and the theoretical parameters of other units have been analyzed and calculated. The result of simulation showed that the indexes for powerful performance and fuel economy of the pure electric bus can meet the design requirements. The research provided some scientific guidelines and valuable references for the design and development of the pure electric bus.

Key Words： Pure Electric Bus； Power System； CRUISE； Simulation； Parameter Matching

引 言

近年來，汽車在人們生活中不斷普及，人類的生產(chǎn)與生活已經(jīng)變得越來越離不開汽車。人們在享受汽車所帶來便利的同時，也在時刻面對著汽車行業(yè)高速發(fā)展所帶來的各種負(fù)面影響，主要包括環(huán)境污染日益加劇、石油資源日益短缺、道路交通事故頻發(fā)等方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1-3]。根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的《2015-2020年中國汽車整車制造市場評估及投資前景預(yù)測報告》顯示，我國總的汽車保有量已經(jīng)突破了1.63億輛，僅次于美國。汽車燃油消耗約占我國石油消耗總量的三分之一以上，是我國最大的石油能源消耗產(chǎn)業(yè)之一，也是最大有害氣體排放能源之一[4]。在這樣的大背景下，我國科技部在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（又稱863計劃）有關(guān)電動汽車的重大專項中，明確指出了研發(fā)新能源汽車是我國現(xiàn)階段堅持能源可持續(xù)發(fā)展和汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要政策，并且根據(jù)國情制定了我國關(guān)于新能源汽車的具體研發(fā)目標(biāo)[5，6]。

車輛經(jīng)濟性、動力性的評價是由實車的道路測試或臺架試驗得到的，但是由于動力系統(tǒng)匹配方案和各主要傳動部件的參數(shù)變化多樣，通過制造實車來進(jìn)行試驗不僅會增加大量的費用，而且會大大延長設(shè)計周期[7，8]。因此，在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的初級階段，利用計算機對車輛的各部件進(jìn)行建模，并且對各種不同的路況進(jìn)行模擬仿真，從而找到最佳方案。不僅減小了車輛設(shè)計上的盲目性、有效縮短車輛研發(fā)周期，而且節(jié)約了相關(guān)研發(fā)成本、其仿真結(jié)果也可以為實車試驗提供重要的參考依據(jù)。

1 純電動客車參數(shù)匹配研究方法

為了滿足純電動客車的動力性并提高其經(jīng)濟性，在車輛設(shè)計前期進(jìn)行參數(shù)匹配選型計算是很有必要的。在車輛設(shè)計的初期，通過對設(shè)計參數(shù)的計算，對車輛的動力性和經(jīng)濟性評價指標(biāo)做出預(yù)測，具有很重大的現(xiàn)實意義。目前主流的計算方法有以下幾種：

汽車?yán)碚摲治龇ā＿@是比較基礎(chǔ)的一種方法，運用汽車?yán)碚摰南嚓P(guān)知識，建立不同設(shè)計需求下的功率平衡公式，根據(jù)車輛尺寸等基本參數(shù)和設(shè)計要求對相應(yīng)功率需求進(jìn)行計算，確定各部件的參數(shù)及選型[9]。這種方法的優(yōu)點在于原理簡單、方便易行，但過于理論化，會與實際情況有較大的誤差。

②車輛行駛工況法。特指某一類型的車輛如家用小轎車、城市公交車、重型運輸車等，在某一特定交通環(huán)境下，用來描述車輛包含行駛距離、速度和加速度隨時間變化的曲線，目前主流的行駛工況包括美國行駛工況標(biāo)準(zhǔn)（USDC）、歐洲行駛工況標(biāo)準(zhǔn)（EDC）和日本行駛工況標(biāo)準(zhǔn)（JDC）。這種方法的優(yōu)點在于能夠在滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上做到一定的優(yōu)化，缺點在于過程反復(fù)，當(dāng)校核的結(jié)果不符合設(shè)計要求時，需要重復(fù)修改參數(shù)直到達(dá)到設(shè)計目標(biāo)為止[10]。

③建模仿真分析法。當(dāng)需要對車輛進(jìn)行更加精細(xì)的分析計算的時候，以上兩種方法就存在明顯不足，需要輔助使用現(xiàn)代計算機技術(shù)，與仿真系統(tǒng)的控制理論相結(jié)合，并借用統(tǒng)計數(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗等，對車輛的整車模型、動力性、經(jīng)濟性和道路工況等進(jìn)行模擬和仿真，準(zhǔn)確描述整車的性能，確定動力總成的匹配關(guān)系，驗證整車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計的正確性[11]。目前，比較流行的運用于新能源汽車的仿真系統(tǒng)軟件主要包括ADVISOR、EASY5、PAST、V-ELPH、VehProp、Matlab/Simulink以及本文將會用到的CRUISE軟件等[12，13]。利用這種方法，不僅可以大大提高車輛的動力性和經(jīng)濟性，而且能夠有效的縮短車輛的研究開發(fā)周期，在激烈的市場競爭中搶占先機[11，12]。endprint

由以上各方法的優(yōu)勢及不足，參考國內(nèi)外的相關(guān)研究項目，最終擬定以下研究方法：

根據(jù)純電動客車的整車尺寸參數(shù)和設(shè)計要求，分析計算動力源的需求功率及其它主要部件的理論參數(shù)，對整車動力系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)匹配。

在CRUISE軟件環(huán)境中搭建純電動客車的仿真模型，設(shè)定仿真計算任務(wù)，對整車的動力性和經(jīng)濟性進(jìn)行仿真計算，驗證動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計的正確性和可行性。

2 動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配

動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計的好壞不僅直接決定車輛的整車動力性能和經(jīng)濟性能是否能滿足設(shè)計要求，并為CRUISE軟件環(huán)境中純電動客車模型的搭建做好了參數(shù)準(zhǔn)備。

2.1 整車參數(shù)和性能要求

以純電動客車為研究對象，根據(jù)整車參數(shù)及相關(guān)性能要求，對其進(jìn)行動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配設(shè)計。整車的部分參數(shù)如表1所示：

純電動客車動力系統(tǒng)的匹配設(shè)計主要影響整車動力性和經(jīng)濟性。目標(biāo)車型動力性能的設(shè)計要求為0～50km/h加速時間、車輛最高車速和車輛在15km/h時的最大爬坡度，經(jīng)濟性能的設(shè)計要求為車輛在40km/h勻速行駛時的續(xù)駛里程。具體的性能設(shè)計要求如表2所示：

2.2 電動機功率參數(shù)匹配

電動機是純電動客車的唯一動力源，對其進(jìn)行參數(shù)匹配的方法大致和傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車一致，即在滿足車輛動力性能的前提下，根據(jù)計算來確定其所需提供的功率。整車動力性能的評價指標(biāo)主要有三個，分別計算出滿足這三個評價指標(biāo)時車輛所需的功率，便可以大致確定電動機的功率等相關(guān)參數(shù)。

根據(jù)汽車動力學(xué)理論[9]，由汽車車輪的驅(qū)動力 、需要提供給驅(qū)動輪的功率 ，最終推導(dǎo)出電動機需要提供的總功率 如下：

式中：m-車輛質(zhì)量；f-車輛的滾動阻力系數(shù)；v-車速；α-坡度角；CD-空氣阻力系數(shù)；A-車輛迎風(fēng)面積；δ-旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；Pt-車輛驅(qū)動輪所需功率；P-電動機所需要輸出的總功率；η-傳動系統(tǒng)效率。

分別滿足最高車速、加速性能、爬坡性能三個動力性能指標(biāo)要求時，電動機所需提供的總功率計算公式如下：

式中：vmax-最高車速；δ-車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.05；vm-車輛加速的目標(biāo)速度；tm-車輛加速所需時間；αmax-車輛的最大爬坡度；vi -車輛爬坡時的速度。

分別將指標(biāo)參數(shù)帶入以上公式可得：

Pmax1=52.3kw； Pmax2=70.7kw；Pmax3=64.8kw。

考慮到純電動客車空調(diào)及風(fēng)扇燈附件的功率消耗，最終確定電動機所需總功率為：

P≥max （Pmax1，Pmax2，Pmax3 ）=80kw

從備選電動機中進(jìn)行選擇，選定電動機的主要相關(guān)參數(shù)如表3所示：

電動機的特性曲線如圖1所示：

2.3 傳動比的匹配

車輛配備減速器和變速箱的目的，是為了減速增矩，以應(yīng)對起步、加速和爬坡等需要高轉(zhuǎn)矩的行駛工況。為了增大電動機的選擇范圍，提升純電動客車整車的動力性能，我們選擇配備一個三擋變速箱。通過調(diào)節(jié)電動機在高效率區(qū)間工作，優(yōu)化車輛的經(jīng)濟性能。

車輛的總傳動比it=i0 ig，其中i0為主減速器傳動比，其值固定不變，ig為變速器傳動比，對應(yīng)不同的擋位有不同的值。分別將最高車速和最大爬坡度當(dāng)作限制條件，來確定車輛傳動比的設(shè)計范圍。

當(dāng)車輛為最小傳動比時，變速器一般為直接擋，傳動比為1，進(jìn)而確定主減速器的傳動比i0。其邊界條件如下：

i0≤0.377 （nmax?r）/vmax

式中：nmax-最高轉(zhuǎn)速；r-輪胎滾動半徑；vmax-最高行駛車速。

為了使電動機在以最高車速行駛時，能夠有較高的工作效率，主減速器的傳動比i_0還應(yīng)滿足如下條件：

式中：nep 為電機最大功率點轉(zhuǎn)速。

將各參數(shù)的值帶入計算得：

4.02≤i0≤6.26

結(jié)合驅(qū)動車橋選型，取i0= 4.875。

主減速器傳動比確定后，根據(jù)車輛的最大爬坡度確定其最大傳動比，具體條件如下：

式中：α-最大爬坡度。

計算可得：ig1≥2.41。

我們設(shè)定變速器共有三個擋位，其最小傳動比為直接擋，即ig3=1，結(jié)合變速箱選型，最終確定的傳動比參數(shù)如表4所示：

2.4 電池參數(shù)的匹配

目標(biāo)車輛的經(jīng)濟性能指標(biāo)為：40km/h速度勻速行駛時的續(xù)駛里程（按照電池總能量釋放90%計算）。車輛在以某一速度勻速行駛的情況下，續(xù)駛里程s（單位為km）如下：

式中：EB為電池總能量；ηmc為電動機及其控制器效率，取0.9；ηq為電池平均放電效率，取0.95。

將車輛經(jīng)濟性能設(shè)計要求帶入式中，可以算出電池所需的總能量EB需要達(dá)到107 kw?h，又鑒于所選電動機的額定電壓為538V，最終所選電池參數(shù)如表5所示：

3 純電動客車整車模型建立

由于純電動客車的整車模型的動力傳統(tǒng)系統(tǒng)具有動態(tài)性、復(fù)雜性的特點，這也就使得傳統(tǒng)的模擬算法難以對整車的動力性能和經(jīng)濟性能做出準(zhǔn)確的評價，因此，我們需要借助更為先進(jìn)的計算機仿真軟件CRUISE，對純電動客車進(jìn)行整車的動力性能和經(jīng)濟性能的仿真研究。圖2所示為CRUISE環(huán)境中搭建的整車模型。根據(jù)其動力傳動系統(tǒng)的構(gòu)成及動力傳遞方向，依次包括：電池、驅(qū)動電機、變速器、主減速器、分動器、車輪及控制部件。

整車模型搭建以后，要進(jìn)行組件參數(shù)設(shè)置。在上述仿真模型中，根據(jù)整車外形尺寸及設(shè)計要求，以及上述各組件選型參數(shù)，對各組件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。圖3及圖4所示為特性曲線及電機特性三維示意圖。

除此之外，還要對整車模型中的主減速器、變速箱進(jìn)行傳動比的設(shè)置，具體參數(shù)前文已述及。endprint

4 仿真結(jié)果分析

4.1 動力性能分析

汽車的動力性能是評價汽車整體性能好壞的決定性因素之一，純電動客車作為一種公共交通工具，其工作效率的高低與車輛的動力性能好壞有著直接的關(guān)系。

（1）最高車速。圖5給出了CRUISE軟件對最高車速的計算任務(wù)仿真計算所得到的結(jié)果，包括三個擋位下車輛的最高車速及最高車速所對應(yīng)的電動機轉(zhuǎn)速。由圖5可得，純電動客車在三擋時的最高車速達(dá)到了89km/h，達(dá)到了預(yù)期的70 km/h的最高車速設(shè)計要求。

（2）0～50km/h加速時間。圖6給出了加速時間、車速、行駛距離三者與行駛時間的對應(yīng)關(guān)系曲線。圖中可以讀出0～50km/h加速時間為13.25s，滿足預(yù)期20s的設(shè)計要求。純電動客車在整個起步加速的過程中，車速變化較為平穩(wěn)，說明車輛動力輸出穩(wěn)定。加速度隨檔位升高而減小，其中1擋加速度最大，也與車輛實際換擋規(guī)律相符。

（3）15km/h的最大爬坡度。如圖7所示，純電動客車在1檔以15km/h的速度行駛時，所能達(dá)到的最大爬坡度為18.86%，達(dá)到了預(yù)期的15%爬坡度的設(shè)計要求。圖中還可以看出，各車速下2、3檔位的爬坡度明顯低于第一檔，這也符合車輛行駛規(guī)律。

（4）典型工況。圖8為該循環(huán)行駛工況下車輛行駛距離、車速、加速度與時間的對應(yīng)曲線。圖9為行駛過程中車輛當(dāng)前車速與預(yù)計車速的對比曲線圖。由圖可知，當(dāng)前車速與預(yù)計車速基本吻合，整個行駛過程中車速變化平穩(wěn)。由此可得其控制方法合理，各傳動速比設(shè)計合理。

綜上所述，將各項計算任務(wù)所得結(jié)果與設(shè)計要求相對比，得到的結(jié)果如表6所示：

從表6的數(shù)據(jù)可以看出，利用CRUISE軟件仿真計算所得的純電動客車各項動力性能指標(biāo)基本滿足了整車的設(shè)計要求，驗證了動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計的正確性。

4.2 經(jīng)濟性能分析

純電動客車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的經(jīng)濟性能評價指標(biāo)不同，純電動客車的經(jīng)濟性能以車輛保持40km/h的速度勻速行駛時的續(xù)駛里程為評價指標(biāo)。

圖10給出了電池荷電狀態(tài)（SOC）和行駛距離隨時間的變化曲線。車輛開始行駛時電池SOC為90%，行駛結(jié)束時為10%，行駛距離為231.29km，滿足車輛預(yù)期的200km續(xù)駛里程設(shè)計要求。

4.3 傳動比分析

通過上文的計算分析，可以初步確定整車的動力性和經(jīng)濟性表現(xiàn)基本滿足預(yù)期的設(shè)計要求，這里我們對不同的傳動比設(shè)計方案分別進(jìn)行仿真計算，分析不同傳動比匹配設(shè)計對整車動力性能和經(jīng)濟性能的影響。

上文提到，確定整車的最大傳動比和最小傳動比以后，設(shè)計中間的傳動比時一般有三種情況：ig1/ig2>ig2/ig3、ig1/ig2=ig2/ig3和ig1/ig2

利用CRUISE軟件，對以上五種方案分別進(jìn)行動力性能和經(jīng)濟性能的仿真計算，得到的仿真計算結(jié)果如表8所示：

將最初方案與方案1和方案2對比，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳動系統(tǒng)的最大傳動比和最小傳動比一定時，改變中間的傳動比不會對整車的最高車速和最大爬坡度產(chǎn)生影響。改變中間傳動比會對加速時間產(chǎn)生一定的影響，這是因為在整個0～50km/h的加速過程中，車輛在中間擋位時的行駛狀況不一樣，但是也并不是中間擋為的傳動比越大，加速性能越好，這是因為加速過程中的換擋規(guī)律會不一樣，在中間擋位停留的時間不一樣。如圖11所示，為三個方案的加速度曲線，由圖可以看出，在中間擋，方案2的加速度最大，最初方案的加速度最小，加速度大小關(guān)系與三種方案的中間擋位傳動比大小關(guān)系一致，符合實際情況，與上文的分析相吻合。

將最初方案與方案3對比，可以發(fā)現(xiàn)，增加主減速器傳動比，變速器傳動比設(shè)計不變的情況下，最大傳動比和最小傳動比都變大了。最大傳動比變大，所以方案三的車輛的爬坡性能得到了提高；最小傳動比變大，所以車輛的最高車速有了一定程度的降低。方案三里車輛的加速時間也變短了，這是因為與方案1和方案2不同，方案3與最初方案相比，三個擋位的傳動比都變大了，車輛的動力因素D也變大了，車輛的加速性能也隨之提高。方案3的各方面動力性能都要好于原方案設(shè)計。

將方案1與方案4對比，可以發(fā)現(xiàn)，主減速器傳動比不變，增大了一擋傳動比，傳動比設(shè)計規(guī)律不變，最大傳動比增大，最小傳動比不變。最大傳動比增大，所以爬坡度增加了；最小傳動比不變，所以最高車速保持不變。方案4的車輛爬坡性、加速性能要好于方案1，這是因為方案4車輛的整體傳動比設(shè)計要大于方案1。

綜上所述，在其它條件不變時，適當(dāng)增大主減速器傳動比，可以增強車輛的爬坡性能和加速性能；可以通過優(yōu)化最小傳動比，使電動機保持在高效率區(qū)間附近工作，優(yōu)化車輛經(jīng)濟性能。仿真計算所得的結(jié)果與現(xiàn)實情況相符，驗證了匹配設(shè)計和利用CRUISE軟件進(jìn)行仿真計算的正確性。

5 結(jié)論

根據(jù)純電動客車整車參數(shù)的相關(guān)要求，以車輛動力性和經(jīng)濟性指標(biāo)為限制條件，完成了對整車動力系統(tǒng)理論上的參數(shù)匹配，并根據(jù)所得參數(shù)結(jié)果，對動力系統(tǒng)主要部件進(jìn)行了選型。運用CRUISE仿真軟件搭建純電動客車的車輛模型。完成了對整車動力性能和經(jīng)濟性能的仿真計算，對計算結(jié)果進(jìn)行了分析，驗證了純電動客車參數(shù)匹配設(shè)計的正確性和利用CRUISE軟件對純電動客車進(jìn)行建模與仿真的可行性。并在此基礎(chǔ)上計算研究了不同傳動比設(shè)計對整車的性能影響，提出了最優(yōu)變速比匹配。

最終采用的優(yōu)化方案中，在保證最高車速和行駛里程設(shè)計要求的前提下，將0～50km/h加速時間縮短至13.02s， 15km/h最大爬坡度提升至19.91%。

以上研究內(nèi)容為純電動客車動力系統(tǒng)的匹配設(shè)計和利用CRUISE軟件對純電動客車進(jìn)行建模仿真研究提供依據(jù)。

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