城市纯电动公交动力系统参数匹配与仿真*

田韶鹏　谭荣远

(武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1)　武汉　430070) (武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心2)　武汉　430070)

城市纯电动公交动力系统参数匹配与仿真*

田韶鹏1,2)谭荣远1,2)

(武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1)武汉430070) (武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心2)武汉430070)

摘要：以一款纯电动公交车辆为例，根据车辆的动力性能要求，对车辆的动力系统参数进行匹配，运用Cruise软件搭建整车仿真模型，分别对带有固定速比和四挡变速器两种传动系统结构的车辆进行仿真分析，在满足设计要求的前提下，对比分析了2种车型的动力性能和经济性能.

关键词：电动汽车；动力系统；参数匹配；变速器；仿真

纯电动汽车相比于传统汽车具有结构简单、无排放污染、噪声低、能量转换效率高等显著优点[1].但目前纯电动汽车的发展还有许多不足，如研发与制造成本高、充电时间长、续驶里程短等都极大地制约了纯电动汽车的兴起与推广.纯电动汽车的动力来源于电动机，相比于传统车辆的内燃机，电动机的运转更为平稳，转速控制方便，因而纯电动车辆可以采用固定速比的直驱传动方式，减少了车辆的制造成本并免去了对变速器的复杂控制.但直驱车辆对复杂工况的适应能力差，爬坡能力不强，驱动电机的运转工况较为分散，无法集中在高效率区，从而影响了整车的经济性能.配备适当速比的变速器能够有效调节驱动电机的工作区间，增强车辆的爬坡能力，进而提升动力性能和经济性能.Cruise软件可以用于传统汽车及新能源汽车的动力系统、传动系统、尾气排放系统的辅助开发以及整车性能的仿真与优化，运用软件进行模拟仿真可以大量节省原型试验所需的成本，缩短产品设计周期.

1整车参数和设计要求

1.1参考车辆的动力系统结构

选用纯电动城市客车作为参考车辆，该车沿用了传统车辆的动力系统结构，将输出动力源内燃机改成了驱动电机，采用后轮驱动的方式，参考车辆动力系统结构简图见图1.

图1　参考车辆动力系统结构简图

1.2参考车辆的整车参数

所选参考车辆的基本参数见表1.

表1　整车参数

1.3整车性能设计要求

依据车辆在中国典型城市工况下的运行特点，给定了城市纯电动公交客车性能的设计要求，见表2.

表2　整车性能设计要求

2动力系统参数匹配

2.1驱动电机参数匹配

驱动电机作为纯电动汽车的惟一动力来源，它的性能在很大程度上决定了纯电动汽车整车的性能.因此，驱电动机的合理选择及参数匹配，是纯电动汽车动力系统的研究设计与性能优化的关键因素.

2.1.1电机功率的确定

电动机具有一定的效率特性，在特定的转速和转矩条件下对应特定的效率.由于车载动力电池所携带的能量是有限的，在选择驱动电机时，尽量使驱电动机在实际工作过程中经常处于高效率的范围内，以获得较高的能量转化效率.

1) 根据最高车速选择电动机功率在选择驱动电机功率时既要使整车具有正常的车速，也要根据车辆的用途，使电动机经常于较高负荷条件下运行，并且能使车辆在良好的工况下能够以较高的车速行驶[2].对于城市纯电动公交客车而言，以中低速行驶的工况占有很大的比例，因此电动机的功率不宜选得过大，否则会使电动机经常工作于低负荷、低效率区，整车能量利用率低.根据所要求达到的最高车速，可以初步选定电动机所需的功率[3].

(1)

式中:P1为驱动电机额定功率，kW；m为整车质量，kg；η为传动系统机械效率；f为滚动阻力系数；A为车辆迎风面积，m2；vmax为最高车速，km·h-1；CD为风阻系数.

2) 根据加速性能选择电动机功率所选驱动电机的功率越大，车辆的后备功率越大，加速性能越好.但电动机功率增大其重量也会大大增加，增加电动汽车的能量消耗.电动汽车在ta时间内，在水平路面上从静止加速到v所需的功率P2为

(2)

式中：P2为满足加速性能所需的电动机峰值功率，kW；δ为旋转质量换算系数.

3) 根据爬坡性能选择电动机功率所选用的电动机应保证电动汽车在某一最小车速vc(取15 km·h-1)时能够爬上一定的坡度i，此时电动机所需功率可由式(3)估算得出.

(3)

式中：P3为爬坡时所需的电动机峰值功率，kW；i为爬坡度，%.

纯电动汽车驱动电机的峰值功率应能同时满足最高车速、加速性能，以及爬坡性能的要求，所以驱动电机的峰值功率应取[4-5]

(4)

2.1.2电动机额定电压的选择

额定电压是电动机的一项重要性能参数，通常是由所选电机的参数决定的.纯电动汽车驱动电机的额定电压与车载电池组的电压密切相关.相同输出功率下，如果电池组电压高，则放电电流较小，对电器元件的要求也会随之降低.但高电压意味着需要串联更多的单体电池，不仅增加了电池组的重量，由于单体电池不均匀性带来的影响也会上升.电压过低时，车辆工作电流较高，对连接导线的要求高，损耗功率上升.

因此，合理选择电动机的额定电压对提高电动汽车的整车性能具有重要意义.结合所选电动机的功率值，电动机的额定电压选为400 V.综合上述结果，电动机的基本参数见表3.

表3　驱动电机基本参数

2.2动力电池参数匹配

当电动汽车以车速v0(取40 km·h-1)匀速行驶时，电动机所需的功率可由式(5)计算.

(5)

式中：P0为车辆以40 km·h-1匀速行驶时所需的理论功率,kW.

电动汽车行驶S(单位：km)所需的总能量W0为[6-7]

(6)

车载电池组所能携带的总能量W为

W = U·C/1 000kWh

(7)

式中：U为电池组平均工作电压，V；C为电池组总容量，Ah.

为避免动力电池组的过充电与过放电行为，将电池组的起始放电SOC(state of charge, SOC)值设定为90%，终止放电SOC值设定为10%，电池组容量为

(8)

初步估算出所需要的电池组容量约为300 Ah.

2.3传动比参数匹配

2.3.1最小传动比的选择

最小传动比是根据电动汽车的最高车速和驱动电机的最高转速来确定的.

(9)

式中：nmax为电机的最高转速，r·min-1；imin为最小传动比；r为车轮滚动半径.

2.3.2最大传动比的选择

对于配备了多档位变速器的电动汽车传动系统，其最大传动比即为变速器I档传动比i1与主减速器传动比i0的乘积.

1) 车辆在爬坡时车速较低，空气阻力相比与爬坡阻力可忽略不计，汽车的最大驱动力为

(10)

即

(11)

(12)

式中：Ff为滚动阻力，N；Fimax为坡度阻力，N；αmax为最大爬坡度；Tm为最高转矩，Nm.

2) 确定最大传动比后应该验证是否满足附着条件，即

(13)

式中：Fz为驱动轮受到的地面垂直反力；φ为附着系数，取0.5～0.6.

传动比匹配结果见表4.

3在Cruise中建模与仿真

3.1整车模型的建立

依据电动汽车的结构，将车辆各个部件模块逐一添加至Cruise建模平台中，建立正确的电气连接与机械连接，随后将完整的数据输入到各个模块中，设置所需的计算任务并开始进行仿真计算.模型中包括整车参数模块、变速器模块、主减速器模块、车轮模块、制动器模块、驱动电机模块、差速器模块、驾驶员模块、防滑模块、电耗单元模块、电池模块、制动控制模块、驱动控制模块、监控模块、常数设置模块等.

表4　传动比匹配结果

3.2计算任务的设定

动力性能和经济性能是评价车辆性能优劣的主要依据.本次分析中纯电动公交客车的主要计算任务包括在中国典型城市公交循环工况下的仿真计算、40 km·h-1匀速工况下的仿真计算、0～50 km·h-1加速时间计算、最大爬坡度的计算，以及最高车速的计算等.

中国典型城市循环工况总行驶里程约为5.9 km，历时1 314 s，最高车速60 km·h-1，具体工况见图2.

图2　中国典型城市公交工况

4计算结果分析

4.1固定速比车型仿真结果

图3为固定速比纯电动公交客车的爬坡性能曲线.由图3可见，该车在车速15 km·h-1时爬坡度约为15.4%，满足爬坡性能的设计要求.

图3　固定速比车型爬坡性能曲线

图4为车辆加速性能曲线，由图4可见，该车从速度为零加速到50 km·h-1所需时间为14.81 s，满足车辆的加速性能要求.

图4　固定速比车型加速性能曲线

图5为在40 km·h-1匀速工况下动力电池SOC变化曲线.由图5可以得出该车续驶里程为222.3 km，满足了车辆续驶里程的要求.

图5　固定速比车型匀速工况电池SOC变化曲线

4.2带变速器车型仿真结果

图6为带有变速器的纯电动公交客车的爬坡性能曲线.由图6可见，该车在车速15 km·h-1时爬坡度约为26%，爬坡性能相对于固定速比车型有大幅提升.

图6　带变速器车型爬坡性能曲线

图7为车辆加速性能曲线.由图7可见，该车从速度为零加速到50 km·h-1所需时间为12.09 s，满足车辆的加速性能指标.

图7　带变速器车型加速性能曲线

图8为在40 km·h-1匀速工况下动力电池SOC变化曲线.由图8可见，该车续驶里程为228.8 km，满足了车辆续驶里程的要求.

图8　带变速器车型匀速工况电池SOC变化曲线

4.3对比分析

将2种车型仿真结果进行数据处理后进行对比，结果见表5.

表5　仿真结果对比

由仿真结果可得，2种车型的各项性能指标均满足设计要求.与固定速比的纯电动公交客车相比，配备有变速器的纯电动公交客车在动力性能和经济性能上都有所提升，循环工况下电耗降低1.68%，40 km·h-1匀速工况下电耗降低2.84%.

5结 束 语

根据城市纯电动公交客车的性能需求，对车辆的驱动电机、动力电池以及传动比进行了匹配设计.运用Cruise软件搭建了整车仿真模型，分析了固定速比车型和带有多档变速器车型的纯电动公交客车的动力性能和经济性能.仿真结果表明，配备了多档变速器的车型在爬坡性能、加速性能和续驶里程都有所提升，在循环工况和匀速续航工况下的电耗均降低.仿真结果可为今后纯电动汽车的优化设计提供重要的数据参考.

参 考 文 献

[1]麻良友，严运兵.电动汽车概论[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]袁苑，钱立军.基于CRUISE中型纯电动客车动力匹配仿真[J].农业装备与车辆工程，2012，50(5)：15-18.

[3]丁楠楠.城市电动公交客车的动力系统优化匹配与能效分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

[4]陈佼.某城市公交动力传动系匹配优化研究[D].南京：南京理工大学，2014.

[5]周胜.纯电动汽车动力性及经济性分析[D].长沙：湖南大学，2013.

[6]TIAN Shaopeng, WANG Yang, WU Lei. Parameters matching and effects of different powertrain on vehicle: performance for pure electric city bus[J]. SAE International Paper,2015-01-2799,2015.

[7]TIAN Shaopeng, WU Lei, WANG Yang. Simultaneous optimization of power train parameter and control strategy in a plug-in hybrid electric bus[J]. SAE International Paper，2015-01-2828, 2015.

Parameter Matching and Simulation of Powertrain for Pure Electric City Bus

TIAN Shaopeng1,2)TAN Rongyuan1,2)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)2)

Abstract：By taking a type of pure electric bus as an example, the simulation models of the vehicle are built in CRUISE. The parameters of powertrain for vehicle are matched, based on the given dynamic performance requirements of vehicle. Two types of models with different powertrain structures, which are fixed ratio and four-speed transmission, are simulated respectively. Finally, the comparative analysis is given to the dynamic and economic performance of the two kinds of vehicles on the premise of meeting the design requirements.

Key words：electric vehicle; powertrain; parameter match; transmission; simulation

收稿日期：2016-04-15

中图法分类号：U462.22

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.008

田韶鹏(1974- )：男，博士，教授，主要研究领域为变速器设计与测试、车用新型动力装置及动力系统仿真技术等

*国家“863”基金项目资助(2011AA11A260)