纯电动城市客车动力系统参数匹配及仿真分析

2021-07-03沈鑫泽何锋郑永樑王文亮

农业装备与车辆工程 2021年6期

沈鑫泽，何锋，郑永樑，王文亮

（550025 贵州省贵阳市贵州大学机械工程学院）

0 引言

汽车工业在新时代发展中需要同时考虑环境问题和能源问题所带来的影响，因此企业运用先进车辆信息技术来研发新能源汽车是发展汽车工业的必经之路。纯电动客车作为新能源汽车的重要组成部分之一，也逐渐被各大制造商认可。

为提高新能源汽车性能，近年来有关其匹配设计优化方案的研究也越来越多。田韶鹏[1]等通过增大主减速器传动比来提高汽车的工作效率；袁苑[2]等通过某纯电动客车的技术参数验证了Cruise 软件仿真分析的可行性；朱日莹[3]等对电动汽车整车及开关磁阻电机的动态性能进行了仿真分析，同步提高了蓄电池利用效率和整车性能；车帅[4]利用MATLAB 软件建立了内部管控策略模型，与HIL 台架进行联合仿真结果分析。由此可见，对纯电动汽车动力系统参数匹配等方面的研究具有现实意义。

本文选择某纯电动城市客车，匹配设计动力系统的相关技术参数，利用Cruise 软件对车辆模型进行模拟仿真，联合Simulink 模拟在多种工况条件下的整车动力性能和经济性能，为实车试验提供数据参考。

1 动力系统参数匹配设计

纯电动汽车动力系统参数不仅能够通过合理的匹配设计来改善整车性能，还可以为Cruise 软件模型提供数据支持。

1.1 整车参数和性能要求

以某纯电动城市客车为例，总质量13 800 kg，迎风面积6.8 m2，空阻系数0.65，滚动半径0.471 m，转动惯量系数为1.1，具体性能设计要求见表1。

表1 车辆设计要求Tab.1 Vehicle design requirements

1.2 驱动电机的选型和参数匹配

根据汽车动力学，阻力所消耗的功率包含滚动阻力功率、空气阻力功率、坡度阻力功率以及加速阻力功率，4 种功率的平衡方程为

整车所需功率应均满足最高车速、爬坡性能和加速性能的需求功率P1,P2和P3，最终需求功率应大于上述3 种功率[5]。

当所需功率达到最高车速时可计算为

式中：m——整车质量；f——滚动阻力系数；CD——风阻系数；A——迎风面的面积；u——车速；ηT——传动系传动效率。

利用MATLAB 软件计算不同车速下的需求功率如图1 所示。

图1 功率图Fig.1 Power diagram

规定城市客车最高车速69 km/h 对应的需求功率P1=39.17 kW。

满足爬坡性能时的需求功率可计算为

式中：vi——车辆完成爬坡时的速度；αmax——最大爬坡角；imax——最大爬坡度。αmax=arctan imax。

利用MATLAB 分别计算速度为10 km/h，爬坡度为7%和12%时所需电机功率。7%持续爬坡电机需求功率为32.45 kW；12%最大爬坡度电机功率为52.63 kW。4%爬坡度下速度为30 km/h时需求功率为63.09 kW，50 km/h 时需求功率为110.4 kW。持续爬坡时使用的功率是电机的额定功率，满足爬坡性能时所需功率约等于双倍的额定功率，因此为124.18 kW。

满足加速性能时的需求功率可计算为

式中：通常取拟合系数x 为0.5；tm——加速过程的时间；vm——加速过程的末速度。

拟合结果如图2 所示。根据加速度指标，18 s内完成0～50 km/h 加速，P3=117.1 kW。

图2 车速功率拟合Fig.2 Vehicle speed power fitting

因此，最终电机所需功率P ≥{P1，P2，P3}max。

行驶阻力方程为

式中：Tm——需求扭矩，N·m；ig——变速箱速比；i0——主减速比；η——传动效率，%；r——轮胎半径，m。

通过扭矩计算，10 km/h 下12%坡度下所需电机最大扭矩和额定转速见表2。

表2 不同速比对比Tab.2 Comparison of different speed ratios

根据最大功率和最大扭矩绘制电机初步选型区间，最后选型的外特性应包络此区域。

最终选择的电机数据见表3。

表3 电机数据Tab.3 Motor data

所选电机包络如图3 所示，匹配计算范围满足要求。

图3 电机外特性Fig.3 External characteristics of the motor

1.3 电池匹配计算

在动力电池中，磷酸铁锂蓄电池具备安全环保、成本低、可循环使用寿命长且无记忆效应等特点，因此选择磷酸铁锂蓄电池匹配计算电池容量和电池组数目。

电池选型先输入已有电池单体的开路电压（OCV）曲线，使用单个电池包，评估中国城市客车循环工况（CCBC）与40 km/h 等速工况的电耗值和续驶里程如表4 和表5 所示。

表4 65%加载下的能耗Tab.4 Energy consumption under 65% load

表5 经济性指标Tab.5 Economic indicators

计算可得，40 km/h 等速工况下的能耗为121.623 kW·h，CCBC 循环工况下单个电池组的循环能耗为106.38 kW·h。选用的电池参数匹配结果见表6。

表6 电池参数匹配结果Tab.6 Matching results of battery parameters

所需电池组数目如下：

式中：d——放电深度，通常取0.8。

由此可得，6 个标准箱串联，并联数目4 个，单体电池需求总量为768个，电池组总容量为272 A·h，总电压为618 V，总电功为168.156 kW·h。

2 Cruise 建模

2.1 整车模型搭建

Cruise 软件采用模块化布置，通过实施交互式环境图形化，只需增添模块，建立标准的机械连接和信号连接，即可快速建立车辆的系统结构，进行精准计算，且易于修正配置，可与Simulink进行协同仿真。因此本文选用Cruise 软件对纯电动城市客车进行模型搭建，如图4 所示。

图4 整车模型Fig.4 Vehicle model

在整车控制模块中录入车辆基本特征参数[6]。输入电机的类型、工作模式、额定电压、最高转速和电机特性参数。输入电池的单体相关信息、电池组的串并数和电池单体的OCV 特性曲线。由于电机的额定电压只有380 V，需要DCDC 充当电机控制器模块。选用的电机为150 kW，所以转换功率要大于150 kW。设置高压边的额定电压，低压边的额定电压完成电压的转换。定义电机的最大扭矩与最小扭矩定义、传动速比与传动效率以提供控制策略使用。

2.2 控制策略搭建

通过Simulink 的RTW 生成动态链接库DLL文件，输入信号连接驱动模块如图5，通过联通Cruise 软件以实现数据和信息的共享。

图5 输入信号连接驱动模块Fig.5 Input signal connection to drive module

整车控制策略的主要内容就是解决对发动机和电动机能量输出的合理分配问题。纯电动汽车控制策略通常是根据电池的荷电状态（SOC）、加速度和油门开度，使电动机输出相应的扭矩，本文以扭矩控制为主要参数进行计算。

驱动扭矩限制是根据当前工况下驱动扭矩的最大允许值，对驱动电机限制其输出扭矩，以保障整车安全性能。当驱动电机过载运行时，升高温度值过大，电机驱动系统易损毁。扭矩限制的控制策略是依据驱动电机的驱动扭矩需求，限制输出电机控制信号。

根据当前车速与油门开度决定需求扭矩，如图6 所示。

图6 油门开度所需扭矩Fig.6 Torque required for throttle opening

通过SOC 限制输出扭矩，可避免在低SOC下放电，并且能够延长电池寿命。对驱动扭矩变化率进行限制，以防扭矩突变。结合SOC 限制系数与限制扭矩，获得电机控制信号，并对最后的扭矩是否满足电机外特性进行判断，输出电机控制信号。为避免出现电机回收与驾驶员制动需求不相符的情况，应进行相应的机械制动补偿制定。最后通过判断制动踏板实现模式切换。驱动扭矩控制策略如图7 所示。