纯电动客车传动系建模与仿真*

宫唤春 吴冬冬 薛冰

（燕京理工学院）

纯电动客车具有结构布置简单、零排放且综合性能优异的特点，所以目前成为汽车企业和相关科研院校研究的热点课题。文章分析了纯电动客车动力源核心部件（蓄电池和电动机）的数学模型，利用ADVISOR软件建立了该客车传动系与动力电池组仿真模型，并对蓄电池、电动机、变速器及减速器等参数进行匹配与优化。

1 纯电动客车传动系数学模型

1.1 蓄电池的数学模型

在ADVISOR软件中纯电动客车电池模型多采用内阻模型。内阻模型将电池看成是一个理想的电压源和一个电阻串联的等效电路[1]。纯电动客车运行时，单体电池电动势和等效电阻主要显示出电池的荷电状态（SOC）和电池电量情况，便于电池检测与充放电。

1.2 电动机的选择

电动机动力系统是纯电动客车最关键的部件，动力系统的类型和性能直接决定了纯电动客车的运行性能。作为纯电动客车的动力源电动机，应该具备较宽的调速范围、较高的转速及足够大的启动转矩，同时要求体积小、质量轻及效率高，且能实现动态制动和能量反馈。由于交流感应电机具有结构简单、运行可靠及维护方便等优点，非常适合纯电动客车的要求，因此，目前纯电动客车研发中，动力系统都广泛采用交流感应电机[2]。

1.2.1 纯电动客车传动系要求

动力传动系的设计应该满足客车对动力性能和续驶里程的要求[3]，客车行驶的动力性能通常用4个指标来评价：1）起步加速性能。客车在给定时间内由静止加速到额定车速或行驶到预定距离的能力。2）以额定车速稳定行驶的能力。对纯电动客车来说，蓄电池和电动机应该能够提供车辆以额定车速稳定行驶的全部功率需求，并且根据我国的道路状况至少能克服坡度为3%的路面阻力。3）以最高车速稳定行驶的能力。在纯电动客车上，电动机发出的功率应该能够维持车辆以最高车速行驶。4）爬坡能力。纯电动客车能以一定的车速稳定行驶在一定坡度的路面上。

另外，蓄电池所输出的电能和电量应该能够维持客车在一定运行工况下行驶额定的里程。

1.2.2 电动机参数设计

电动机的功率包括额定功率和最大功率，电动机的功率选取越大，则纯电动客车的后备功率越大，加速性能和爬坡性能越好，但同时电动机的体积和质量也会迅速增加，而且会使电动机不能正常工作在峰值功率附近，使电动机的效率下降。因此，电动机的功率不能选得太大，应该依照客车的最高行驶车速、爬坡度及加速性能来确定其功率[4]。设计中通常以先保证汽车预期的最高车速来初步选择电动机应有的功率。已知电动机预期的最高车速，选择的电动机功率应大体上等于汽车以最高车速行驶时消耗的功率与行驶阻力消耗的功率之和，其计算公式，如式（1）所示。

式中：P——电动机功率，kW；

m——整车质量，kg；

f——滚动阻力系数；

CD——空气阻力系数；

A——迎风面积，m2；

umax——最高车速，m/s；

g——重力加速度，取9.8 m/s2。

纯电动客车以某一车速爬上一定坡度消耗的功率，如式（2）所示。

式中：ua——电动汽车行驶速度，km/h；

i——坡度。

纯电动客车在水平路面上加速行驶消耗的功率，如式（3）所示。

式中：δ——旋转质量换算系数；

Iw——车轮的转动惯量，kg·m2；

If——飞轮的转动惯量，kg·m2；

r——车轮滚动半径，m；

ig，i0——变速器、主减速器传动比；

ηt——传动效率；

t——加速时间，s。

总之，纯电动客车的电动机功率应能同时满足汽车对最高车速、加速度及爬坡度的要求，所以纯电动客车电动机的额定功率（Per/kW），如式（4）所示。

电动机的最大功率（Pemax/kW），如式（5）所示。

式中：λ——电动机的过载系数。

纯电动客车以某一速度匀速行驶时，整车能量消耗，如式（6）所示。

式中：ui——每个状态的纯电动客车行驶速度，km/h；

Pi——每个状态纯电动客车消耗的功率，kW。

1.2.3 传动系传动比设计

传动比的选择应该满足汽车预期最高车速、最大爬坡度及加速时间的要求[5]。

1）传动系最小传动比（itmin）是由电动机最高转速和最高行驶车速确定，计算公式，如式（7）所示，传动系总传动比（it），如式（8）所示。

2）传动系最大传动比（itmax）是由电动机最高转速对应的最大输出转矩和最大行驶车速对应的行驶阻力确定，计算公式，如式（9）所示。

式中：Fumax——最高车速对应的行驶阻力，N；

Tumax——电动机最高转速对应的输出转矩，N·m。

1.2.4 电池组容量设计

电池组容量的选择主要考虑客车行驶时的最大输出功率和消耗的能量，以保证客车对动力性和续驶里程的要求[6]。蓄电池携带的能量必须大于或等于客车的最大能耗，这样才能保证客车行驶要求。电池组数目计算公式，如式（10）所示。

式中：ηe——电动机的工作效率；

ηec——电动机控制器的工作效率；

N——单个电池组所包含的电池的数目；

Pemax——电动机实际输出最大功率，kW；

Pbmax——电动机额定最大功率。

2 纯电动客车传动系ADVISOR仿真模型

文章研究的纯电动客车的传动系主要由电动机、蓄电池及传动系组成，如图1所示。

图1 纯电动客车传动系ADVISOR模型图

根据纯电动客车的组成，结合文章的纯电动客车计算模型，在ADVISOR软件中修改建立传动系、电动机及蓄电池数据文件。文章选取的纯电动客车主要参数数据，如表1所示。

表1 某纯电动客车技术参数及性能要求

3 纯电动客车仿真运行结果分析

根据ADVISOR软件提供的道路循环工况，文章选取了CYC.ECE工况[7]进行仿真，同时对最高车速、加速性能及爬坡能力等参数进行仿真，分析该纯电动客车传动系性能，为纯电动客车设计提供依据。图2示出纯电动客车的车速、荷电状态、扭矩及功率主要参数仿真结果。

图2 纯电动客车主要动力参数仿真结果

从图2可知，车速变化范围在0～85 km/h，而文章设定的最高预期车速为100 km/h，显然采用的电动机类型难以满足最高车速设计要求，主要原因是电池模型选取的是一个简单的等效模型，忽略了电池内阻变化的影响。电动客车上使用的电池组中电池数量众多，因此准确地检测出各个电池电量的均匀性对蓄能状态有显著影响。文章选取的电池模型首先要满足充电后纯电动客车行驶里程尽可能远，在满足续驶里程下尽量保证动力性也就是最高车速，因此在后续改进过程中加入电池电量一致性的影响因素模型可以改善动力性指标不足的问题。从车速变化范围可以看出平均车速约为30 km/h，符合城市道路行车特点，也比较适用于城市客车使用的特点。SOC基本稳定在0.8以上，表明蓄电池组性能优良，具有较好的充放电性能，可以满足电动客车长距离续驶里程的要求。扭矩变化在0～50 N·m，恒扭矩区间较短，说明电动机扭矩输出稳定性还有待提高和改善。功率输出参数基本在设计参数范围内，误差变化较小。

4 结论

文章对纯电动客车传动系参数进行了分析，建立了传动系的动力学模型，在此基础上，以某纯电动客车为研究对象，对动力性能进行了仿真试验，结果表明：利用ADVISOR仿真与电动客车实际复杂的运行工况情况是有差异的（软件中运行工况基本上是匀速行驶状态，而实际道路下，纯电动客车是在加减速等变的工况下运行），因此需建立准确的电动机和传动系等部件模型进行测试与仿真。文章所建立的纯电动客车模型SOC在较长时间运行时能够稳定在0.8以上，有利于保证纯电动客车较长续驶里程，为纯电动客车的应用提供了保障。