某8 m纯电动客车动力系统参数设计及仿真分析

张红，郑泽亮，孟国庆（中通客车控股股份有限公司，山东聊城252000）

某8 m纯电动客车动力系统参数设计及仿真分析

张红，郑泽亮，孟国庆
（中通客车控股股份有限公司，山东聊城252000）

以自主研制的某款8 m纯电动客车为对象，对动力传动系统参数进行匹配设计；基于Cruise软件建立其模型并进行仿真分析。结果表明，设计的8 m纯电动客车满足设计要求。

纯电动客车；动力系统；参数设计；仿真分析

电动汽车以其噪声小、零排放等优点成为理想的交通工具，是21世纪的重要交通工具和清洁汽车技术的最佳解决方案[1-2]。近几年政府高度关注新能源汽车的研发和产业化，在国家政策的倡导和支持下，新能源汽车的研发及示范推广迅速发展，尤其是电动客车发展迅速。

1 动力传动系参数确定

纯电动客车动力系统主要由电机、动力电池、变速器及后桥等组成。设计的8 m纯电动客车总质量10 690 kg、滚动半径0.412 m、迎风面积6 m2；要求最高车速大于75 km/h、0～50 km/h加速时间小于19 s、最大爬坡度大于20%、续驶里程大于150 km。根据汽车理论相关知识对动力系统相关参数进行初步设计。

1.1 电机参数设计

由功率平衡可知，电动机的功率越大，则电动客车的后备功率越多，加速和爬坡性能越好，但同时电动机的体积和质量会增加，而且电动机不能经常工作在峰值功率附近，出现大马拉小车的现象，使电动机的效率下降。因此，电动机的功率不应选择太大，应根据整车性能合理设计。

首先，电机功率的选择必须满足纯电动客车最高车速的要求，驱动电机功率应大体等于但不小于设计最高车速行驶时行驶阻力功率之和[3-6]。

式中：vmax=75 km/h；ηt为传动系效率，取值95%；f为滚动阻力系数，f=0.007 6+0.000 056×vmax；CD为空气阻力系数，取0.55；A为迎风面积，取值6 m2。

其次，在水平良好路面上，设计的纯电动客车0～50 km/h加速时间小于19 s，加速消耗的功率如下：

式中：v为速度，取值50 km/h；δ为汽车旋转质量换算系数，取值1.01。

最后，驱动电机扭矩应满足车辆爬坡性能的要求。按照设计要求最大爬坡度大于20%确定驱动电机扭矩下限Tmax_h。

式中：r为轮胎半径，取值0.421 m；i0为主减速比，取值5.86；v1为爬坡时车速，取值10 km/h。

所以电动机的最大功率Pmax及最大扭矩Tmax需满足：Pmax≥max（PmaxiPa）=130 kW，Tmax≥1 645 N·m。

结合对比8 m纯电动客车常用的电机类型，最终选择了某型号电机，电机最大功率133 kW，最大扭矩2 070 N·m。

1.2 传动比的选择

电动机的启动转矩很大，可以实现低速恒转矩、高速恒功率的工作模式，并且容易实现无级调速，所以8 m纯电动客车常选择固定速比变速器。根据电动汽车最高车速和最大爬坡度的要求可分别求出传动系速比的最大和最小值。

首先，应该满足最高车速的要求，根据电动机最高转速和最高行驶车速确定传动系速比上限。

式中：vmax为最高车速，取值75 km/h；r为车轮半径，取值0.421 m；nmax为电机最高转速，8 m纯电动客车电机最高转速经验值取值范围2 800～3 000 r/min，本文中nmax取2 900 r/min。

其次，满足电动客车在最高车速时仍能输出的最大功率，确定传动系速比的下限。

it≥0.377 rnep/vmax=4.23，从而4.23≤i0≤6.01

式中：it=ig·i0，i0为主减速器速比，ig为传动系速比，数值取1；nep为最高功率点转速，8 m纯电动客车电机最高功率点转速，经验值取值范围2 000～3 000 r/min，本文nep取2 000 r/min。

结合对比8 m纯电动客车常用的后桥类型及后桥速比取值范围，最终选择某型号后桥，速比为5.86。

1.3 电池容量选择

电池容量主要保证纯电动客车的动力性及续驶里程，可根据最大输出功率和续驶里程来确定[6]。采用匀速法初步计算续驶里程，后续设计应用国标中规定的工况来仿真校核续驶里程[7]。

按照国标要求[8]，在道路上按照V=40 km/h的等速行驶计算整车行驶阻力。设定为无风状态，在水平道路上等速行驶时，所需要的驱动力F和车辆行驶里程S=150 km所需要功W分别如下：

F=Gf+v2CDA/21.15=1 297.2 N

W=F×S=194 589.8 kJ

为了保护电池，应对锂电池采用浅充浅放的原则，充满电按SOC的90%计算，最大放电量按SOC剩余30%计算。综合考虑电池的各项性能，选用某磷酸铁锂动力电池，电池单体额定电压Vi=3.2 V，单体额定容量Ci=21.15 A·h。则单体电池能量wbat，需要电池数目Nbat分别如下：

式中：0.6表示实际利用的电池容量占总容量的百分比值（即9%～60%）。

根据国标规定[9]的电压等级和8 m纯电动客车总电压要求，最终选择576 V的总电压，因此需要串联的电池数nchuan，并联的电池数目nbing分别为：

最后选择电池串联数目180个；并联数目8个；单体电池需求总量1 440个。电池组具体布置方式为8个单体并联为一个小的单元，然后再串联180串，电池组总容量为172 A·h，总电压为576 V。

2 电动客车仿真分析

2.1 模型搭建及计算任务

利用Cruise软件搭建整车模型并进行仿真分析，首先，在软件中搭建电池、电机、减速器、轮胎等模块并输入相关参数；其次，根据电动客车的整车布置及控制方式进行机械、电器和信号连接[7]。搭建好的整车仿真模型如图1所示。

图1 8 m纯电动客车仿真模型

最后，在Cruise软件计算任务栏设置Max Velocity、Climbing Performance、Full Load Acceleration、Cycle Run等仿真任务，并设置0.1 s的仿真步长、1.0×105仿真精度等参数，分别仿真分析整车最高车速、最大爬坡度、加速性能、续驶里程。

车辆实际运行路况非常复杂，为了准确模拟设计的8 m纯电动客车运行路况，实验采集了通化市某公交路线的路谱，分析处理采集数据构建形成了该公交路线行驶工况，简称S循环行驶工况，如图2所示，通过Crusie软件中Cycle Run任务，分析运行在S循环行驶工况整车的经济性能。

图2 S循环行驶工况

2.2 仿真结果分析

纯电动客车动力性评价指标是最高车速、最大爬坡度及加速时间，经济性评价指标常采用单位里程电能消耗进行评价[1]。仿真得到纯电动客车最高车速79 km/h；最大爬坡度24%；原地起步加速至50 km/h时间为8.64 s。

利用Cruise软件中的ConstantDrive任务仿真得到各车速下对应的电机耗电量，仿真得到速度30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h对应的等速百公里耗电量分别为43 kW·h、49 kW·h、56 kW·h、66 kW·h。

利用Cruise软件中的Cycle Run计算任务，建立一个40 km/h匀速行驶工况，仿真得到纯电动车的电池SOC变化曲线，如图3所示。图中3条曲线分别表示时间-距离曲线、时间-速度曲线、时间-SOC变化曲线。从图中可知，当电池SOC值由95%下降到15%，对应行驶里程167 km，该过程消耗的总电能为83.89 kW·h，百公里行驶里程的耗电量为50 kW·h。

图3 电池SOC的变化

选择CWTVC_市区工况、搭建的S循环行驶工况导入Cruise软件中的profile中[10]，运行Cycle Run计算任务，仿真得到整车运行在上述两种工况下整车耗电量数据见如表1。

表1 循环工况电机能耗

整车运行在CWTVC_市区工况、S循环行驶工况下，纯电动客车耗电量曲线、时间-距离曲线如图4和图5所示；电机消耗功率曲线、电池SOC变化曲线如图6和图7所示。

图4 耗电量曲线（CWTVC_市区）

图5 耗电量曲线（S循环行驶工况）

图6 电机功率和电池SOC变化（CWTVC_市区）

通过上述仿真分析可知，设计的8 m纯电动客车最大速度为79 km/h，0～50 km/h的加速时间为8.64 s，最大爬坡度为24%；40 km/h匀速行驶工况，续驶里程为167 km。仿真结果表明，电动汽车最高车速、加速时间、续驶里程等指标能够满足要求，从而说明整车匹配方案设计合理，所选电机及后桥能够确保整车动力性、经济性达到设计要求。

3 结束语

根据设计的纯电动客车整车性能要求，通过理论计算，得到电机功率、扭矩、后桥速比参数取值范围，并根据常用的电机类型、后桥型号，初步选择了纯电动客车动力传动系参数。最后利用Cruise软件搭建纯电动客车的模型，仿真分析整车动力性、经济性；结果表明匹配设计方案满足整车性能要求。该方法可作为纯电动客车的设计、动力性能、经济性能预测和分析的一种有效方法和手段。

[1]陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京：北京理工大学出版社，2002.

[2]万沛霖.电动汽车的关键技术[M].北京：北京理工大学出版社，1998．

[3]余志生.汽车理论[M].5版.北京：机械工业出版社，2009.

[4]刘清虎，郭孔辉.动力参数的选择对纯电动汽车性能的影响[J].湖南大学学报（自然科学版），2003（3）：65-67.

[5]查鸿山，宗志坚，刘忠途，等.纯电动汽车动力匹配计算与仿真[J].中山大学学报（自然科学版），2010，49（5）：47-51.

[6]熊明洁，胡国强，闵建平.纯电动汽车动力系统参数选择与匹配[J].汽车工程师，2011（5）：36-38.

[7]AVL Cruise User's Guide.李斯特技术中心（上海），2011.

[8]全国汽车维修标准化技术委员会.道路运输车辆综合性能要求和检验方法：GB 18565-2016[S].北京：中国标准出版社，2016：6.

[9]全国汽车标准化技术委员会.电动汽车高压系统电压等级：GB/T 31466-2015[S].北京：中国标准出版社，2015：5.

[10]全国汽车标准化技术委员会.重型商用车辆燃料消耗量测量方法：GB/T 27840-2011[S].北京：中国标准出版社，2011：12.

修改稿日期：2017-05-02

Parameters Design and Simulation AnalysisofPowertrain System for an 8 m Pure Electric Bus

Zhang Hong,Zheng Zeliang,Meng Guoqing
（Zhongtong Bus Holding Co.,Ltd,Liaocheng 252000,China）

Taking a self-developed 8 m pure electric bus as the object,the authors match and design its powertrain parameters,and establish its modelas well as carry out simulation analysis based on Cruise software.The results showthatthe designed 8 m pure electric busmeetsthe design requirements.

pure electric bus;powertrain system;parameterdesign;simulation analysis

U463.2；U469.72

B

1006-3331（2017）0 4-0012-04

张红（1986-），女，硕士；工程师；主要从事客车发动机周边布置设计及动力匹配研究工作。