增程式电动客车动力系统匹配设计仿真分析

柳建新，徐贤亚，尚明利，郭广海

（1.郑州宇通客车股份有限公司，郑州　450061；2.河南省郑州市消防支队，郑州　450006）



增程式电动客车动力系统匹配设计仿真分析

柳建新1，徐贤亚1，尚明利1，郭广海2

（1.郑州宇通客车股份有限公司，郑州450061；2.河南省郑州市消防支队，郑州450006）

摘要：基于AVL/CRUISE和Matlab/Simulink软件，结合某一款增程式电动汽车能量管理策略的开发过程，对整车动力系统参数匹配、仿真建模、能量管理等关键问题进行研究。

关键词：增程式电动客车；动力系统；匹配设计；仿真分析

本文基于AVL/CRUISE和Matlab/Simulink软件，搭建一款增程式电动客车的整车仿真模型，作为后续控制参数优化和硬件在环仿真的基础[1]。AVL/CRUISE仿真软件在研究汽车动力性、燃油经济性、排放性能等方面简单快捷；Matlab/Simulink能够非常直观和方便地进行能量管理策略建模，并与整车AVL/CRUISE模型进行联合仿真。因此，充分利用这两个软件各自的优势真正为电动汽车的研究提供正向的、模块化的仿真平台，不仅可以提高研发效率，而且可以节约开发成本[2]。

1　系统建模

1.1增程式电动客车简介

该增程式电动客车主要由小功率的发动机、发电机、动力电池和大功率驱动电机组成，如图1所示。其中车辆直接由大功率电机驱动，发动机与发电机机械连接，发动机通过发电机给动力电池补充能量。车辆在只使用电池能量的情况下，可以满足城市居民日常出行的需要，夜间再通过电源给电池充电；而在长途行驶时需要使用发电机给动力电池补充能量，满足长距离行驶的需求[3-4]。

以某款传统对标车的整车性能指标为参考，该增程式电动客车的性能设计指标如表1所示。

表1　某款增程式电动客车设计性能指标

1.2仿真模型建立

CRUISE提供了一种图形化的交互环境，用户可以在已有的模块箱，主要包括汽车、离合器、变速器、发动机、电池、电机、控制器、特殊模块、轮胎等中选取合适的模块拖放到CRUISE的工作区，便能迅速地建立系统框图；根据研究的需要添加相应的控制模块，并正确连接数据总线建立各模块之间的连接，包括机械连接、电气连接，便可很快得到系统模型。各个模块的仿真参数的设置可以通过CRUISE的参数设置窗口来完成；对一些特性复杂的模块（如电动机），可以在参数设置窗口通过编辑图表曲线建立曲线图来完成参数设置[5]。

仿真模型分为整车模型和控制策略模型两部分。整车模型由AVL/CRUISE搭建，而控制策略模型在Matlab/Simulink中搭建。AVL/CRUISE和Matlab/Simulink通过AVL/CRUISE提供的Interface接口进行通讯：在Matlab/Simulink中将整车控制策略生成动态链接库DLL文件，在AVL/CRUISE中进行调用，从而构成联合仿真，如图2和图3所示。

为了保证增程式混合动力客车较低的使用成本及节能减排效果，整车控制策略模型优先使用电能，有如下3种工况：纯电动工况、发动机发电工况和滑行制动回馈。整车主要运行在纯电动工作模式，当SOC值降低到20%时，起动发动机通过发电机发电给整车提供能量，此时发动机和电机系统工作在经济区域；当车辆制动时，主电机进行制动能量回收[6-8]。具体模型如图4所示。

2　仿真及结果分析

根据上述模型进行仿真计算，在实际仿真过程中不断标定、修改零部件参数，使整车性能达到设计指标。

1）主驱动电机参数的仿真计算。根据整车最大爬坡度设计需求，整车以25 km/h车速满足12%最大爬坡度可以得出：主电机最大转矩为2 400 N·m，基速为800 r/min，同时可以仿真算出主驱动电机的额定扭矩/功率为1 200 N·m/100 kW，峰值转矩/功率为2 400 N·m/200 kW，采用永磁同步电机[9]。

2）发动机及发电机参数的仿真计算。为保证整车在没有电的情况下的续航能力，匹配算出的小功率发电机功率为60 kW；搭载玉柴的小功率发动机，型号为YC4E140-42，最大功率为100 kW，最大扭矩/转速为430 N·m/1 000～2 200 r/min。

3）ISG电机参数的仿真计算。按照续驶能力的需求，可以仿真计算出ISG电机的额定转矩/功率为300 N·m/45 kW，峰值转矩/功率为600 N·m/60 kW，采用永磁同步电机。

4）动力电池参数的仿真计算[10]。按照中国城市公交循环工况，电池SOC变化为80%DOD放电深度，保证120 km续驶里程。依据0.85 kW·h/km的公交工况电耗指标，需匹配0.85×120/0.8=150 kW·h的电量。因此，电池参数选型为260 Ah，500 V。

5）仿真得到的整车性能指标如表2所示。

表2　某款增程式电动客车仿真性能指标

通过上述图表数据可以看出，该系统的动力性指标均可以满足前期设计要求，且0～50 km/h的加速时间优于前期设计；同时该系统也满足200 km的纯电动行驶里程即208 km。

3　结束语

本文在分析增程式电动客车工作原理的基础上，利用CRUISE仿真软件建立整车模型。在满足整车动力性的情况下，匹配出各个关键零部件的性能参数。这些分析结果可以为后续增程式电动客车项目的设计提供依据。

参考文献：

[1]刘振军，赵海峰，秦大同.基于CRUISE的动力传动系统建模与仿真分析[J].重庆大学学报：自然科学版，2005，28（11）：8-11.

[2]赵海峰.基于CRUISE软件的AMT车辆性能仿真分析与实验研究[D].重庆：重庆大学，2005.

[3]郭俊，王文明，盛旺，等.串联式混合动力城市客车储能系统的试验研究[J].客车技术与研究，2014，36（4）：46-49.

[4]杨超.电动车动力学建模与仿真研究[D].武汉：武汉理工大学，2007.

[5]赵璐，周云山，邓阳庆，等.基于CRUISE的DCT整车动力传动系匹配仿真研究[J].汽车技术，2011（1）：10-14.

[6]夏玮.控制系统仿真与实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[7]张威. Stateflow逻辑系统建模[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[8] The MathWorks，Inc. MATLAB 7 Programming Fundamentals，April 2011.

[9]陈敏，王振国.某A级纯电动汽车动力系统匹配及仿真[J].公路与汽运，2014（4）：16-21.

[10]范彪，袁景敏，李建鹏，等.插电式并联混合动力客车建模及仿真[J].客车技术与研究，2011，33（5）：5-9.

修改稿日期：2015-08-24

Simulation Analysis on Matching Design of Power System for an Extended-range Electric Bus

Liu Jianxin1，Xu Xianya1, Shang Mingli1, Guo Guanghai2
（1.Zhengzhou Yutong Bus Co., Ltd, Zhengzhou 450061, China; 2. Firehouse Branch of Zhengzhou in He'nan, Zhengzhou 450006, China)

Abstract：Based on the AVL/CRUISE and Matlab/Simulink softwares, the authors combine with the development processes ofenergymanagement strategyfor an extended-range electric bus togive a research on the bus power systemparameters matching, simulation modeling, energymanagement and other keyproblems.

Key words:extended-range electric bus; power system; matchingdesign; simulation analysis

中图分类号：U469.72；U461.2

文献标志码：B

文章编号：1006-3331（2016）02-0021-02

作者简介：柳建新（1984-），男，工程师；动力系统工程师；主要从事新能源客车动力系统的设计与研发工作；申请专利多项。