纯电动客车驱动电机选型及优化仿真

孙贵斌，杨云东，王　耀，曹竞辉

(厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建 厦门 361024)



纯电动客车驱动电机选型及优化仿真

孙贵斌，杨云东，王耀，曹竞辉

(厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建 厦门 361024)

基于中国典型城市循环工况下对纯电动客车驱动电机进行选型优化，利用CRUISE仿真软件搭建整车模块，对驱动电机选型优化前后分别进行整车性能仿真.结果表明：对纯电动客车驱动电机选型优化较合理，优化后整车在中国典型城市循环工况下百公里耗电量下降4.1%，续驶里程增加4.6%，匀速40 km·h-1工况下百公里耗电量下降4.2%，续驶里程增加8.5%.

纯电动客车；驱动电机；选型优化；循环工况；续驶里程

新能源汽车作为国家重点发展战略，在我国已得到快速发展[1-3].与传统汽车相比，纯电动汽车在节能环保方面具有较大优势，成为新能源汽车重点发展方向之一.目前，由于电力驱动、动力电池等关键技术方面还未成熟，使得纯电动汽车续驶里程较短，制约了纯电动汽车的发展与普及.续驶里程作为电动汽车首要经济性能指标，如何提高续驶里程成为国内外电动汽车研究的主要目标.为增加纯电动汽车续驶里程，需要提高能量利用率，降低能量损耗.目前，研究者主要从纯电动汽车传动系统合理匹配、驱动电机及最优控制策略、电池能量管理技术和能量回收等方面进行研究[4]，而驱动电机作为纯电动汽车系统关键部件，在整车能量损耗占很大比例，因此，合理匹配驱动电机、提高电机效率，对于提高能量利用率，增加续驶里程具有重要作用.本文基于中国典型城市循环工况下确定某型6.6 m纯电动客车驱动电机所需的额定转速和额定功率，对驱动电机进行选型优化，以合理匹配驱动电机，提高整车性能.

1　整车基本参数与性能指标设计要求

电动汽车的性能指标包括整车动力性指标和续驶里程.动力性指标主要包括3个方面:最高车速、加速时间、最大爬坡度[5].针对设计的某型国产6.6 m纯电动客车进行关键部件的选型和匹配.整车基本参数与性能指标设计要求如表1和表2所示.

表1　整车基本参数

表2　纯电动客车性能指标

2　驱动电机的选型

目前，电动汽车驱动电机主要是根据整车的性能指标设计要求并依据理论公式来确定电机的基本参数，从而对驱动电机进行选型匹配.驱动电机的基本参数包括峰值功率、额定功率、额定转速、最高转速、额定转矩以及最大转矩.

2.1峰值功率和额定功率的确定

电动汽车以最高设计车速在路况良好的道路上行驶时需要克服滚动阻力和空气阻力，根据最高车速Vmax确定驱动电机所需最大功率Pmax,1，即

(1)

电动汽车在一定车速下以最大爬坡度爬坡行驶时需要克服坡度阻力、滚动阻力和空气阻力，根据爬坡性能确定驱动电机所需最大功率Pmax,2，即

(2)

式(2)中：Vp为爬坡速度，15 km·h-1，其它参数见表1.

电动汽车在水平良好的路面上加速行驶过程中需要克服滚动阻力、空气阻力和加速阻力，根据加速性能确定驱动电机所需最大功率Pmax,3，即

(3)

式(3)中：Va为加速过程中任意时刻速度，其它参数见表1.

根据表1和表2整车基本参数和性能指标要求，由式(1)(2)可得驱动电机所需要的功率:Pmax,1=70.9 kW,Pmax,2=53.5 kW.在式(3)中，由于电动汽车在加速过程中，车速在不断变化，加速度会不断降低，导致加速阻力减小，空气阻力随着车速增高而不断增大，整车的需求功率也在变化.为了满足整车的加速性能，通常拟合一条加速曲线[6]，在Matlab/Simulink中搭建公式(3)的模块，通过拟合的加速曲线求出加速时所需整车功率.图1为加速需求功率Simulink模型图.

查找Scope模块，可知整车需求功率在13 s之前迅速增加，达到118.7 kW,13 s之后需求功率趋于平衡，可得到纯电动客车在加速行驶过程中所需要的最大功率Pmax,3=118.7 kW.

电机所需要的最大功率驱动电机的峰值率必须同时满足上述情况，可以得到驱动电机的峰值功率，峰值功率Pmax≥Pmax，i(i=1,2,3)，即Pmax≥118.7 kW,取驱动电机的峰值功率Pmax=120 kW.电机的过载系数取值范围为2～3，且该车以100 km·h-1的车速在水平道路上行驶时所需要的功率Pmax,1=70.9 kW,取电机的过载系数为2，电机的额定功率为Pe=60 kW.

2.2最高转速和额定转速的确定

驱动电机的最高转速一般由整车性能指标要求中的最高车速确定，即：

(4)

将表1和表2的相关参数代入式(4)中可以得到，nmax≥ 3 836 r·min-1，取驱动电机的最高转速为nmax=4 000 r·min-1.由电机的扩大恒功率区系数β=nmax/ne的取值范围一般为2～3，且该电动客车常规车速为50 km·h-1时电机转速为1 918 r·min-1,取电机的额定转速为ne=2 000 r·min-1.

2.3额定转矩和最大转矩的确定

驱动电机的最大转矩需要满足两方面要求：一是满足电动汽车起步加速时转矩要求；二是满足电动汽车在一定车速下以最大爬坡度爬坡行驶时的转矩要求.通常情况下，爬坡行驶时对驱动电机的最大转矩要求更高.

驱动电机的最大转矩以设计的最大爬坡度行驶时的要求确定.电动汽车以一定车速爬坡行驶时，需要克服滚动阻力、空气阻力和坡度阻力，即：

(5)

根据表1和表2相关参数带入式(5)可得，Tmax≥887.5 N·m，取驱动电机的最大转矩为Tmax=900 N·m.

驱动电机的额定转矩可根据功率-转速-转矩关系公式求取，即

(6)

将相关参数带入式(6)中可得，Te=286 N·m，取驱动电机的额定转矩Te=300 N·m.

3　驱动电机选型优化

驱动电机是纯电动汽车的核心部件，电机的选型影响着电动汽车的动力性和经济性[7].电机在工作过程中一般应满足电机机械特性.电机运行区域分为恒转矩区间和恒功率区间，其中电机转速运行在额定转速附近的区域称为电机的高效区间.当电机运行在高效区间时电机的能量损耗降低，这不仅有利于提高电动汽车的动力性，而且能够增加电动汽车的续驶里程.然而，长期以来，电动汽车驱动电机的选型匹配，主要是根据整车基本参数和整车性能设计指标要求并依据理论公式来确定电机的基本参数，这种选型方法很可能会使选型的驱动电机运行时脱离高效区间，导致不必要的能量损耗.

基于中国典型城市循环工况对驱动电机进行选型优化，能够使电机的工作点与电机的高效区间相匹配[8].国内已有学者进行了相关研究：林鑫焱[9]研究电机内部损耗和基于NEDC工况来匹配电机，王禺寒[10]通过研究国外十种工况确定电机的额定功率.但这些研究主要是针对电动汽车进行研究，本文基于中国典型城市循环工况，针对6.6 m纯电动客车驱动电机进行选型优化.中国典型城市循环工况如图2所示.

把基于中国典型城市循环工况得到的需求功率划分为几个区间，每个区间功率差为20 kW，即[0,20],[20,40],[40,60],[60,80]等区间.图3为需求功率图.

利用MATLAB软件对工况点进行频率统计，得到各区间所占比例分别为：[0,20]区间13.6%，[20,40]区间34.6%，[40,60]区间30.5%，[60,80]区间15.4%，80 kW以上区间5.9%.需求功率在[0，80]区间所占比例达到94.1%.

对电机的需求功率进行加权取平均值[11].功率加权公式为

(7)

式(7)中：x1，…，xi为功率加权系数，取值不同功率不同；p1，…，pi为需求功率，与各区间功率差有关,pi=ip1，p1=20 kW.因需求功率在[20-40],[40-60]区间所占比例较大，取i=4.根据不同的加权系数可得到功率值，如表3所示.

表3　不同加权系数下的功率和转速

把基于中国典型城市循环工况得到的电机需求转速划分为[0,500]，[500,1 000]，[1 000,1 500]，[1 500,2 000]，[2 000,2 500]等区间，转速差为500 r·min-1.图4为需求转速图.

利用MATLAB软件对转速点进行频率统计，得到各区间所占比例分别为[0,500]区间7.2%，[500,1 000]区间12.6%,[1 000,1 500]区间26.7%，[1 500,2 000]区间32.8%，[2 000,2 500]区间11.4%，2 500 r·min-1以上区间为9.3%.转速在[500,2 500]所占比例最大，为83.5%.

对驱动电机的额定转速进行加权取平均值，转速加权公式为

(8)

式(8)中：y1，…，yi为转速加权系数；n1，…，ni为需求转速，与各区间转速差有关,ni=in1，n1=500 r·min-1.由于在[500,2 500]区间所占比例较大，取i=4.根据不同的转速加权系数可得到需求转速值，如表3所示.

选型优化后匹配的驱动电机的基本参数为：额定功率50kW,峰值功率120kW，额定转速1 750r·min-1,最高转速4 000r·min-1,额定扭矩250N·m，最大扭矩900N·m.

4　动力电池参数匹配

确定动力电池参数需要考虑电池能量和最大输出功率,确保电动汽车的动力性与续驶里程[12].动力电池的匹配与等速续驶里程要求有关.等速续驶里程是指电池在额定容量条件下，在良好路面上等速行驶时能够行驶的距离.续驶里程的计算公式为

(9)

式(9)中:S为续驶里程；Vd为等速工况下的行驶速度，40 km/h；W为动力电池总能量；P为等速行驶时整车消耗能量；ηe为电机和电机控制器的传动效率.

由整车性能设计指标要求，并依据GB/T 18386—2005《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》相关要求,选择单体电压为3.6 V,电池组电压为500 V,单体容量为30 A·h,电池组容量为120 A·h的锂离子动力电池，电池组数目为560个，连接方式为4并联140串联.

5　整车性能仿真

应用CRUISE软件对整车性能进行仿真,对驱动电机选型优化前后整车动力性能和续驶里程进行对比.在CRUISE软件中建立整车仿真模型,如图 5所示.

在CRUISE项目文件中设置仿真任务，输入中国典型城市循环工况数据，仿真任务包括在中国典型城市循环工况下的百公里综合耗电量和等速40 km·h-1工况下运行时的百公里耗电量.仿真结果可查找CRUISE中CRUISE.log文件.

该车驱动电机选型优化前后在中国典型城市循环工况和等速40 km·h-1工况下百公里耗电量和续驶里程如表4所示.

表4　优化前后仿真结果对比

6　结语

依据理论公式对驱动电机进行选型，并在中国典型城市循环工况下对驱动电机的选型进行优化，匹配另一款能在高效区间运行的驱动电机.采用CRUISE软件搭建了该电动客车的仿真模型，对选型优化前后匹配的两款不同驱动电机整车性能分别进行仿真.仿真结果表明：在中国典型城市循环工况下整车百公里耗电量下降4.1%，续驶里程增加4.6%，匀速40 km·h-1工况下百公里耗电量下降4.2%，续驶里程增加8.5%.

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(责任编辑李宁)

Optimization of the Pure Electric Bus Motor Selection

SUN Guibin,YANG Yundong,WANG Yao,CAO Jinghui

(School of Mechanical & Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China)

To optimize the selection of motors on pure electric buses working in driving cycles in a typical Chinese city，a vehicle module was built using CRUISE software，and vehicle performance simulations were made before and after optimization of the drive motor model.The results show that the motor model is well optimized，with a 4.1% kilowatt-hour decrease and a 4.6% decrease of fuel-range in driving cycles in a typical Chinese city，a decrease of 4.2% kilowatt-hour decrease and a 8.5% increase of fuel-range at uniform speed of 40 km·h-1.

pure electric bus;drive motor;optimization of selection;driving cycle;driving range

2016-03-16

2016-06-14

孙贵斌(1964-),男，高级工程师，硕士，研究方向为新能源客车技术及应用.E-mail:yupei-2008@163.com

U469.72

A

1673-4432(2016)03-0006-06