纯电动大客车动力系统参数匹配与仿真分析

张　琼， 高　松， 王玉成， 温延兵， 李　博

(山东理工大学 交通与车辆工程学院， 山东 淄博 255049 )

纯电动大客车动力系统参数匹配与仿真分析

张琼， 高松， 王玉成， 温延兵， 李博

(山东理工大学 交通与车辆工程学院， 山东 淄博 255049 )

摘要：电动汽车动力系统参数匹配设计对整车性能有很大影响，根据整车基本结构参数和目标性能要求，确定动力传动系统各参数的具体设计计算方法，通过对电机、电池及传动系统参数的设计匹配与合理选型来确保整车动力性能和经济性能发挥到最优值.利用CRUISE软件建立纯电动城市客车动力系统仿真模型，根据模拟仿真结果对各性能指标参数进行评价分析，特别针对动力电池进行建模仿真，通过仿真得到的电池性能数据评价分析设计电池参数及选型是否满足要求.结果表明：设计的动力系统匹配方案能够很好地满足整车动力性能和经济性能要求，为纯电动大客车的匹配设计分析提供了新的思路，具有一定的理论指导意义.

关键词：纯电动大客车； 参数设计； 仿真模型； CRUISE软件

收稿日期：2015-01-26

基金项目：国家“863”计划(2012AA110305)

通信作者：

作者简介：张琼，女，7816as@163.com； 高松，男，gs6510@163.com

文章编号：1672-6197(2016)01-0012-06

中图分类号：U469.72

文献标志码：A

Abstract:Matching design of the electric vehicle power system parameters has a great influence on the vehicle performance. According to the basic structural parameters of vehicle and target performance requirements, we determine the detailed design and calculation method for the parameters of power transmission system. Through the design of parameters for the motor, battery and transmission system and rational selection,we ensure that the power performance and the economic performance of the vehicle to the optimal value. Then we establish the simulation model of the pure electric bus by Cruise, evaluate and analyze the performance index parameters by the simulation results. Especially for modeling and simulation of power battery，we analyze the design and selection of battery parameters whether meet the requirements by the performance data obtained through simulation. The results show that the design of the power system matching scheme can satisfy the vehicle dynamic performance and economic performance perfectly, and provides a new idea for the matching analysis of pure electric bus. It has a certain theoretical guiding significance.

Matching design and simulation analysis for the power system of pure electric bus

ZHANG Qiong, GAO Song, WANG Yu-cheng, WEN Yan-bing, LI Bo

(School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Key words: pure electric bus; parameters design; simulation model; CRUISE

新能源汽车已成为当今社会研究的热点，目前各国研究者纷纷对新能源汽车的关键技术进行深入探讨，争取实现技术上的有效突破.动力传动系统是纯电动汽车的关键组成部分，其参数匹配对整车的动力性和经济性有很大的影响[1].本文通过分析给定的纯电动大客车整车参数和目标性能要求，设计计算动力传动系统各参数并对其进行合理匹配优化，从而得到一套完整的动力系统设计方案，以获取纯电动大客车最佳动力性能和经济性能.

1整车基本参数和目标性能要求

考虑实际设计需求及纯电动大客车的道路允许条件，参考国家标准，确定的整车基本参数和目标性能要求见表1和表2.

表1整车基本参数

参数数值整备质量/kg12800满载质量/kg18000外形尺寸(长×宽×高)/mm11500×2530×3250轴距/mm6200(前悬/后悬)/mm2600/3200迎风面积/m27.5风阻系数0.6轮胎规格275/70R22.5滚动阻力系数0.018座位数/额定载客人数22/80机械传动效率0.92

表2目标性能指标

参数数值最高车速/km·h-1≥70最大爬坡度/%≥20一次充电续驶里程/km≥1500~40km/h加速时间/s≤10

2动力传动系统参数设计

本文设计的纯电动大客车主要用于市区道路行驶，由于城市人口稠密，交通拥挤等状况，汽车要频繁运行于起步、加速、制动、停车等工况，驱动电机应能满足各种工况需求[2].

2.1　驱动电机参数确定

电机性能对电动汽车整车性能有着重要影响.电机的调速范围要宽，在整个调速范围内还要保持较高的运行效率[3].需要确定的电机参数有：驱动电机的额定功率和峰值功率、额定转矩和峰值转矩、额定转速和最高转速、电机的额定电压等.

2.1.1　驱动电机功率确定

电机功率的选择对整车动力性能起着至关重要的作用.电机功率越大，电动汽车的加速和爬坡能力就越好，但电机的体积和质量也会相应地增大，若电机经常处于高效率区工作，整车能量利用率和续驶里程会有所下降；但如果电机功率选择过小就会造成车辆正常行驶工况条件下电机的过载运行，从而导致电机温度偏高、寿命剧减等问题的产生[4]，因此要合理选择电机的功率.

车辆一般在启动加速、爬坡、最高车速这3种情况下行驶时需求功率是最高的，为此，电机的功率选择首先要满足以上几个方面的要求[5-6].

在国标GB/T 18385中规定，电动汽车的最高车速包括持续30min最高车速和持续行驶1km最高车速两种定义，分别对应电机的稳定持续最大输出功率(额定功率)和短时最大输出功率(1~5min峰值功率)，在表2中指出的最高车速要达到70km/h的要求是指持续30min最高车速，对应的车辆需求功率P1的计算公式可简化为

(1)

将爬坡时的车速定为10km/h，满足最大爬坡要求时对应的车辆需求功率P2的计算公式为

(2)

根据汽车的功率平衡方程式可得到车辆原地起步加速时对应的需求功率P3为

(3)

通常用加速时间表征汽车的加速性能，若在平直的路面上测量加速时间，得到加速度—时间关系曲线，采用分段积分的方法得到各个速度区间的加速时间，累加后即得到原地起步加速到指定车速的全力加速时间，由式(3)可得

选择的电机需求功率应能同时满足汽车对最高车速、最大爬坡度及加速时间的要求，即Pe≥max(P1，P2，P3)，在过载允许的范围内(λp=Pmax/Pe，λp一般取值在2~4之间)选定过载功率Pmax.

2.1.2　驱动电机转矩确定

电机的最大转矩对整车动力性能有很大影响，特别是车辆的加速和爬坡性能.电机的最大转矩要大于负载可能出现的最大转矩，电机的最大转矩越大，就越有利于汽车的原地起步加速和爬坡.但过大的电机转矩会增大电机配件精度要求，电机成本大大提高，而且过大的电机转矩可能会导致汽车以低档位行驶时驱动力超过车辆的附着极限，驱动力得不到充分利用[7].为此，在选择电机峰值转矩时不仅要满足车辆的动力性能要求，还要与传动系最大传动比协调考虑.

由驱动电机的外特性曲线(见图1)可知，电机在基速以下为恒转矩输出，基速以上为恒功率输出.在恒转矩区，转矩恒定不变，输出功率随着转速的提高线性增长；而在恒功率区，功率不变，转矩随着转速的提高呈双曲线递减.在图1中，Te、ne分别为电机的额定转矩和额定转速，额定功率、额定转矩相同的电机，若最高转速由 nmax2降至nmax1，电机的恒功率范围会从恒功率区2降至恒功率区1.研究表明，较大的恒功率区可有效改善车辆的动力性能，在允许范围内可适当选取较大的最高转速.

图1　驱动电机外特性示意图

由此计算得到电机的峰值扭矩，再通过选定合适的扭矩过载系数λT(λT一般取值在2~4之间)来确定电机的额定转矩Te.

2.2　动力电池参数设计

纯电动汽车的能量消耗完全依赖于动力电池，电池组的总容量决定了整车的续驶里程[8].所选择的电池组的类型、质量和各种技术参数也会对电动汽车的整车性能造成一定影响.

合理地分配电池容量对提升整车性能非常重要.根据电动汽车对动力性和续驶里程的目标性能要求及车辆行驶时所需的最大功率和消耗的能量来确定电池组的容量.参考GB/T18386电动汽车能量消耗率和续驶里程标准，采用等速法(40km/h)和续驶里程设计目标值来计算电池容量

(4)

式中：E为电池容量；ηt为整车传动效率； U为电池组电压； ηe为电机工作效率； ηb为电池放电效率； P40为整车在40km/h稳定行驶时的输出功率.

2.3　传动系速比设计

传动系统传动比的大小对电动汽车的加速时间、续驶里程、爬坡度等都有重要的影响，选择合适的传动比，使电机经常处于高效率区工作，可以有效改善整车性能.

纯电动大客车以最高车速行驶时，变速器处于最高档位，即以最小的传动比运转；在最大爬坡度时，汽车以最大传动比档位行驶[9-10].根据整车动力性能和续驶里程要求，传动系最大、最小传动比范围可通过以下两式确定：

(5)

(6)

对于纯电动大客车，考虑整车结构布局、车重、成本等问题，档位数不宜过多，当传动比范围较小时，可取消变速器，使用固定速比减速器，直接由电机驱动；当传动比范围较大时，可选用两档变速器，一档用于爬坡，一档用于加速行驶，充分发挥整车动力性能.

城市公交车大多以25~50km/h的速度行驶，为此，要保证在此速度区间行驶时电机处于高效率区工作，由电机的效率图(图2)可以看出，电机在接近中等或偏低转速时的效率较高，为此选择的传动系速比应确保电机转速在中等偏低范围.通过计算得∑i∈[5.26,6.22]，传动比范围不大，为简化整车结构、降低成本，采用固定速比减速器即可满足要求，初步确定主减速比为6.16，则当车速为25~50km/h时，对应的电机转速为1061~2122r/min，由图2可知，在此转速范围内，电机的效率相对较高，最后通过仿真试验来验证选择的传动系速比是否满足整车性能要求.

2.4　动力元件选型

动力元件的选择要结合设计车型的实际运行工况，不同车型和路况对动力元件的性能要求不同，电动汽车用电机要求具有高转速、高电压、轻质量，且调速范围宽、起动转矩大等；在选择动力电池类型时主要考虑的因素有蓄电池的比能量、比功率、能量密度、功率密度、电池的循环寿命等.

结合给出的公式计算所得电机、电池的基本参数，以及不同类型电机、电池的特点，最终确定的电机、电池类型及具体参数值见表3、表4，选定电机的效率特性和扭矩特性曲线如图2、图3所示.

表3电机具体参数

电机型号参数(Pe/Pmax)/kw(Te/Tmax)/N·m(ne/nmax)/r·min-1开关磁阻电机100/250870/27001100/3000

表4电池具体参数

电池类型单体电压U/V工作电压U/V额定容量Ae/A·h镍氢动力电容电池1.2400~600200

图2　电机效率特性曲线

图3　电机扭矩特性曲线

3整车建模仿真及结果分析

3.1　整车模型的建立

奥地利AVL公司开发的CRUISE软件是用于车辆动力性、燃油经济性、尾气排放、制动性能分析的高级仿真软件[11].CRUISE采用模块化设计思路，结构形式灵活多变，能够适用于各种车型的开发和参数优化.CRUISE软件中有自带的模块箱，可根据用户需求选择合适的模块拖至工作区，将所有模块按车辆设计模型摆放到相应的位置，然后对各模块进行机械连接、电气连接，得到的纯电动大客车模型如图4所示.

图4　纯电动大客车整车模型

在建完整车模型后，完成电机、电池、变速器、车轮等模块参数的输入，并添加相应的计算任务，通过选择不同行驶工况模拟实际的道路运行工况.考虑纯电动大客车的行驶状况，分别添加了Constant Drive、Cycle Run、Full load Acceleration、 Climbing Performance 4个计算任务，来验证设计匹配的客车参数是否满足整车动力性能和续驶里程要求.

3.2　仿真结果分析

电池性能的优劣不仅影响整车经济性能，还影响纯电动大客车的行车安全，通过模拟纯电动大客车在标准工况下的运行试验，可查看汽车在行驶过程中电池的使用状况及性能变化.在试验中选用城市-市郊综合工况(NEDC)，整个循环工况的仿真结果和在NEDC工况下动力电容电池的性能变化如图5~图8所示.从图5中可以看出，实际行驶车速变化曲线和需求车速变化曲线基本保持一致，速度没有较大波动，表明搭建的整车模型能够较好地传递驾驶员意图.由图6、图7的曲线可以看出，选择的镍氢动力电容电池的放电电流大部分在200A以下，在整个工况运行过程中，只在几个加减速变化

图5　NEDC循环工况仿真

图6　镍氢动力电容电池电流变化曲线

图7　镍氢动力电容电池电压变化曲线

图8　镍氢动力电容电池SOC随时间的变化

很大的点超过300A，电池的放电电压在500V左右，即电池大部分时间处于规定的工作电压状态，电池的荷电状态变化相对较为平缓.由图8可知设计的纯电动大客车完成一次NEDC工况，SOC值仅由80%降至70%左右，电池的能量利用率较高，经济性能好，通过分析计算可知，选择的动力电池容量能够保证电动汽车续驶里程要求.

图9~图11分别为纯电动城市客车的最高车速、最大爬坡度、及0~40km/h加速时间性能仿真结果，可以看出，纯电动大客车最高车速能达到78km/h，0~40km/h的加速时间为7.05s，最大爬坡度能达到24%.由此可见，纯电动大客车各项性能指标均能达到设计目标要求，从而验证了设计方案的合理性.

图9　最高车速仿真结果

图10　加速时间曲线图(0~40km/h)

图11　最大爬坡度曲线图

4结束语

设计一套适合纯电动大客车运行的动力传动系统对其整车性能有着很大影响，本文从纯电动大客车整车参数和目标性能要求出发，具体分析各动力元件的影响因素，对其参数进行设计计算，最终确定各部件参数.采用CRUISE软件建立整车模型，设定具体计算任务进行模拟仿真运算，通过仿真结果对各指标参数进行评价和估计，来验证设计方案的合理性.当仿真结果与目标值存在出入时，可通过修改参数再次进行计算分析，最终得到理想的参数值.

本文针对纯电动大客车动力系统匹配提出的设计与仿真方法，能够迅速对设计方案进行验证，简化了传统设计的繁杂验证过程并降低了研发成本，对新型汽车的开发与研究具有一定的理论指导意义.

参考文献

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(编辑：郝秀清)