纯电动中型客车动力系统参数匹配及性能研究

郝定坤

(西安方元能源工程有限责任公司，陕西 西安 710201)

随着有限燃料能源的过度使用以及过度依赖，所带来的环境污染是亟需解决的世界性难题。燃油汽车的改制能够缓解这一问题的恶化，燃油汽车的改制就是对现有的内燃机汽车的动力系统和控制系统等做出相应的改变，使内燃机部分或者完全变为纯电动汽车，依次来降低能源消耗和环境污染。纯电动汽车与内燃机汽车不同，其是以蓄电池或电容器为动力源驱动电机使车辆行驶，因而无需消耗化石能源。面对节能环保的要求，电动汽车逐渐成为研究热点，其具有低污染、低能耗、能量利用效率高等优点，使其在环境保护和能源可持续利用等方面具有明显的优势［1－4］。

在燃油汽车改装技术革新方面，不同研究人员提出了不同的改装方案，张卫刚等［5］为了分析燃油汽车与纯电动汽车之间的异同，试探性地将一辆轻型客车改制成纯电动试验车来探索研究纯电动汽车的设计方法和相关关键技术。王芳［6］通过对比分析不同电动机的工作特性，将永磁直流电动机作为动力源，并对电动机的控制策略进行了研究。此外，对电动汽车的电机及传动系的布置及设计给出了改进方案。钱立军［7］主要对电动汽车的几种动力驱动方案进行了阐述，分析了纯电动汽车的动力分配以及电机控制策略，并给出了突破制约电动汽车改制的车身和底盘技术路线。上述汽车改装技术都是试探性的将燃油汽车改制成纯电动汽车，均建立在理论研究层面上，未对改制后的电动汽车进行相应的参数匹配以及动力学仿真分析。为此，本文借助汽车专业仿真软件Advisor 对改装后的纯电动试验车的续驶里程、最高车速、加速性能和爬坡等性能做了相关分析，仿真结果显示，改制后的电动汽车的性能可以满足设计要求和使用条件。

1 纯电动汽车的基本结构

电动汽车的车身、底盘和电器设备与传统汽车并无太大差异，因此电力驱动控制系统才是电动汽车区别于传统汽车的关键，其性能也决定着电动汽车的整体性能。纯电动汽车的基本结构可划分为电源系统、电力驱动控制系统和辅助系统3 部分［8］，如图1 所示。

图1 电动汽车的基本组成结构

2 整车参数及性能要求

2.1 整车参数

整车参数对车辆的性能影响较大，本车的整车参数如表1 所示。

表1 整车参数

2.2 性能指标

根据电动汽车国家标准，提出电动汽车动力性评价指标，如表2 所示。

表2 纯电动客车性能指标

3 电动汽车动力系统参数匹配

3.1 电机参数匹配设计

纯电动汽车的电机选择必须能满足整车动力性要求［9］，以满足纯电动汽车在各种工况下行驶时的动力需求。

(1)驱动电机额定功率的选择。

1)根据最高车速确定。根据汽车行驶功率平衡方程所确定的功率为

式中，G 为整车重力;f 为滚动阻力系数;μamax为最高行驶车速;CD为迎风阻力系数;A 为迎风面积;ηt为传动系总效率。

2)根据最大爬坡度确定

其中，α=arctani，i 为坡度。此时汽车正在以较低的速度爬坡，该坡度为汽车所能爬的最大坡度。

3)根据加速性能确定。汽车的加速行驶时所需的功率为

其中，δ 表示旋转质量的换算系数，在此δ=1.04。综上可得额定功率为

式中，λ 为电机过载系数。

(2)驱动电机峰值功率的选择。由于驱动电机的过载系数较高，峰值功率通常是额定功率的3 倍以上［10］，但电机不能长时间工作在最大功率状态下。由式(4)可得峰值功率为

3.2 传动系统参数设计

由于电动汽车电机本身的转矩范围较窄，因此难以满足在不同的工况下的转矩要求［11］。通过选择合适传动比的变速器可较好地解决这一问题，同时还使得电机在高效率范围内运转，有利于减轻电机和电源的负荷，减少功率损失。

(1)传动系速比的上限。当汽车的车速达到最大时，电机转速也需要达到最大值，可以得到传动比上限［12］为

(2)传动系速比的下限。当汽车行驶在最大爬坡度上时需要电机以最大扭矩工作，此时可得传动系速比的下限［13］为

其中，Fimax为最大行驶阻力;Tmax为电机最大输出扭矩。

3.3 蓄电池组参数匹配设计

蓄电池组是纯电动汽车的能量源，其功率和电压需要适应电机的要求，蓄电池的容量还需要满足续驶里程的要求。

(1)机最大功率确定蓄电池组的数量。电动汽车运行过程中，蓄电池可提供的功率必须能够满足电机峰值功率的要求［14］。单个蓄电池的最大功率为

式中，E 为电池单体的电动势;Rint为等效内阻。

蓄电池的数量为

式中，Pbmax为单体电池能够达到的最大功率，当电机达到最大功率时，ηe表示工作效率;ηec为电机控制器的工作效率。

(2)根据续驶里程确定蓄电池组的数量。已知车辆的续驶里程为100 km，所需总能量为

式中，Wess为所需总能量;Uess为蓄电池组的电压;C 为单个电池组的所容纳的能量;n 为电池数量;We为单个电池组额定能量。

电动汽车匀速行驶所消耗的能量为

式中，ua为速度，行程为S。其中

由于纯电动汽车行驶所需要的能量全部由蓄电池组提供，因此蓄电池组的能量不得小于车辆行驶过程中所消耗的能量，铅酸蓄电池的SOC 一般介于0.3 ～0.8 之间，放电深度为80%，所以可得

蓄电池的数量

式中，ξsoc是电池在放电时的放电深度，其亦可表征该蓄电池在生命周期不同阶段的性能。

根据式(9)～式(15)可确定蓄电池组数量为

4 电动汽车动力系统选型

4.1 电机参数的选择

根据功率平衡方程式(1)，若要使车辆满足uamax=70 km/h，则驱动电机至少应满足额定功率Pel=33.2 kW。车辆所要求的最大爬坡度为20%，由爬坡时的功率平衡方程式(2)，当车辆以ua=15 km/h 爬坡时，电机达到Pmi=52.3 kW。

车辆起步加速时，由车辆加速过程的功率平衡方程式，可得到驱动电机所需功率与加速时间的关系曲线，如图2 所示。由曲线可知，起步加速时间越短，所需电机的功率就越大，当电机的最大功率为60.84 kW时，即可满足车辆加速性能的要求。

图2 车辆起步时加速时间—功率曲线

4.2 传动系统参数的选择

为了简化传动系统的设计，本文选用原车主减速器和变速器作为传动变速机构，然后根据所选电机和整车性能要求，对原车传动系统的传动比进行检验校核。

(1)传动系统中主减速器传动比的确定。变速器的4 挡为直接挡即ig4=1，为满足最高车速的要求，由式(6)和式(7)可得i0≤7.928，主减速器的传动比为i0=6.17 符合要求。

(2)传动系统中变速器传动比的确定。变速器的最大传动比应满足最大爬坡度的要求，根据式(8)可以求出ig1≥2.496，所选变速器的一档传动比ig1=5.568，符合要求。

表3 传动系统参数

4.3 蓄电池参数的选择

考虑到制造成本以及各种蓄电池性能的优劣，选择铅酸蓄电池作为能量源［15］。拟选用淄博明泰电器科技有限公司生产的6－DG－120A 型铅酸蓄电池，其参数如表4 所示。

表4 蓄电池参数

考虑到电机的峰值功率，由式(9)求出单个蓄电池的最大输出功率为2.832 kW，进而由式(10)得到蓄电池组的数量n=21.19，取整得22。考虑到续驶里程，根据式(15)可得，当车辆以平均速度行驶完100 km 时，需要23.02 块蓄电池，即所需块数为24。综上所述，比较两种情况下所需蓄电池组数量后，取较大值24 作为电池数量。

5 整车性能仿真及结果分析

Advisor 作为Mathworks 公司基于Matlab/Simulink 开发的汽车仿真软件，有着广泛的应用，用户可使用该软件提供的车辆结构的基本模型对车辆进行建模［16］。此外根据所研究的后轮驱动纯中型客车相关动力系统参数，在Advisor 整车模型上进行了二次开发，从而建立起后驱电动汽车整车和相关模块的模型，如图3 ～图5 所示。

图3 整车仿真模型

图4 车身仿真模型

图5 电机仿真模型

5.1 动力性能仿真

整车设计对动力性能指标提出了要求，因此需要对动力性各指标进行仿真，得到当汽车在加速行驶过程中其速度变化曲线，再根据速度变化得到车辆加速度。该车Vmax=78.5 km/h，能够满足动力性能指标中最高车速设计要求;起步时从静止加速到30 km/h 所用时间为7.9 s，从静止加速到50 km/h 所用时间为19 s，能够满足加速性能设计要求;车辆在15 km/h 车速下能够达到的坡度为22%，可达到动力性能指标中最大爬坡度设计要求。

5.2 典型工况仿真

为了使仿真能够真实地反映汽车在不同运行环境下车辆各部分的性能状态，需要考虑到实际运行过程中频繁的加速、减速、怠速和停车等状况。因此本文选择国际上比较准确的(美国城市工况)与(欧洲城市工况)作为复合仿真工况，在复合工况下对纯电动中型客车的性能进行仿真试验，能够很好地反应出纯电动中型客车在市区道路和城郊道路上的运行状况。

(1)图6 为车辆仿真模型在下得到的仿真结果。

图6 UDDS 下车速变化曲线

图7 UDDS 下SOC 值变化曲线

图8 UDDS 工况下行驶距离变化曲线

(2)图9 ～图11 为车辆仿真模型在CYC_ECE_EUDC 下得到的仿真结果。

图9 ECE_EUDC 下车速变化曲线

图10 ECE_EUDC 下SOC 值变化曲线

图11 ECE_EUDC 下行驶距离变化曲线

通过以上两种典型工况的仿真结果可得到车辆的实际运行状况、电池SOC 变化和电机的运行状况。从图中可看出，除了最高车速局部不满足要求之外，其他部分均能符合要求。图7 和图11 中，蓄电池SOC 值整体变化比较平稳，加速阶段下降明显，曲线上升段为制动能量回收状态，此时电机回馈发电。由以上分析可知，纯电动中型客车动力系统的匹配参数均能较好地满足行驶工况的要求。整个过程中车辆运行、蓄电池荷电状态变化平稳，电机在合理的范围内运转，提供车辆所需要的功率和扭矩，为后续整车道路试验提供了数据参考。

5.3 续驶里程仿真

续驶里程仿真结果如图12 所示，车速曲线、SOC值变化曲线和行驶距离变化曲线。

图12 车辆在40 km/h 速度下匀速行驶时续驶里程的仿真结果

由仿真结果可知:纯电动汽车在载重750 kg、速度为40 km/h 时，续驶里程能够超过100 km，能够满足纯电动中型客车经济性设计要求。

6 结束语

纯电动汽车能有效缓解汽车工业对燃油的依赖，是降低尾气污染的有效手段，而现有的车辆改制技术缺乏相应的参数匹配及动力学仿真分析，难以获取最优的动力控制策略。因此，本文以“LS6600C1”型普通中型客车改装的纯电动试验车为研究对象，对动力系统进行参数匹配设计，并利用电动汽车仿真软件Advisor 建立相应的纯电动汽车动力系统及整车的仿真模型，对整车模型的最高车速、加速能力、爬坡性能和续驶里程等指标进行了仿真研究。结果表明，改装后的纯电动试验车续驶里程、最高车速、加速性能和爬坡性能等均满足普通中型客车的运行要求和使用条件。

［1］ 陈清泉，詹宜君.21 世纪的绿色交通工具—电动汽车［M］.北京:清华大学出版社，2001.

［2］ Chan C C.The state of the art of electric and hybrid vehicles［J］.Proceeding of IEEE，2002，90(2):1－29.

［3］ Rahman S，Castro A D.Environmental impacts of electricity generation－a global perspective［J］.IEEE Transactions on Energy Conversation，1995，10(2):307－313.

［4］ Chau T，Wong Y S.Hybridization of energy sources in electric vehicles［J］.Energy Conversion and Management，2001，42(9):1059－1069.

［5］ 张卫刚，蹇小平，耿莉敏，等.基于燃油汽车改制的电动汽车试验［J］.长安大学学报:自然科学版，2006，26(5):74－78.

［6］ 王芳.纯电动中型城市客车总体设计及技术研究［D］.西安:长安大学，2008.

［7］ 钱立军，赵韩，高立新.电动汽车开发的关键技术及技术路线［J］.合肥工业大学学报:自然科学版，2002，25(1):14－18.

［8］ 张珍，陈丁跃，刘栋.纯电动汽车驱动系统的参数设计及匹配［J］.上海汽车，2010(8):7－9.

［9］ 程飞，过学迅.电动汽车用电机及其控制技术研究［J］.防爆电机，2006(3):2－3.

［10］Gao L，Dougal R A，Liu S.Power enhancement of an actively controlled battery/ultra－capacitor hybrid［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2005，20(1):236－243.

［11］姬芬竹，高峰，吴志新.电动汽车传动系参数设计及动力性仿真［J］.北京航空航天大学学报，2006，32(1):109－111.

［12］Wang Lifang，Wen Xuhui.Dynamic match and optimizing design of electric vehicle powertrain［C］.IEEE Vehicle Electronics Conference，1999:387－390.

［13］姜辉.电动汽车传动系统的匹配及优化［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2006.

［14］张翔，赵韩，钱立军，等.Advisor 软件的混合仿真方法［J］.计算机仿真，2005，22(2):203－205.

［15］Oman H.On－board energy and power management on electric vehicles:effect of battery type［M］.Canada:SAE Paper，1998.

［16］Wipke K B，Cuddy M R，Burch S D.Advisor 2.1:a userfriendly advanced powertrain simulation using a combined backward/forward approach［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，1999，48(6):1751－1761.