純電動客車傳動系建模與仿真*

宮喚春 吳冬冬 薛冰

（燕京理工學(xué)院）

純電動客車具有結(jié)構(gòu)布置簡單、零排放且綜合性能優(yōu)異的特點，所以目前成為汽車企業(yè)和相關(guān)科研院校研究的熱點課題。文章分析了純電動客車動力源核心部件（蓄電池和電動機）的數(shù)學(xué)模型，利用ADVISOR軟件建立了該客車傳動系與動力電池組仿真模型，并對蓄電池、電動機、變速器及減速器等參數(shù)進行匹配與優(yōu)化。

1 純電動客車傳動系數(shù)學(xué)模型

1.1 蓄電池的數(shù)學(xué)模型

在ADVISOR軟件中純電動客車電池模型多采用內(nèi)阻模型。內(nèi)阻模型將電池看成是一個理想的電壓源和一個電阻串聯(lián)的等效電路[1]。純電動客車運行時，單體電池電動勢和等效電阻主要顯示出電池的荷電狀態(tài)（SOC）和電池電量情況，便于電池檢測與充放電。

1.2 電動機的選擇

電動機動力系統(tǒng)是純電動客車最關(guān)鍵的部件，動力系統(tǒng)的類型和性能直接決定了純電動客車的運行性能。作為純電動客車的動力源電動機，應(yīng)該具備較寬的調(diào)速范圍、較高的轉(zhuǎn)速及足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，同時要求體積小、質(zhì)量輕及效率高，且能實現(xiàn)動態(tài)制動和能量反饋。由于交流感應(yīng)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點，非常適合純電動客車的要求，因此，目前純電動客車研發(fā)中，動力系統(tǒng)都廣泛采用交流感應(yīng)電機[2]。

1.2.1 純電動客車傳動系要求

動力傳動系的設(shè)計應(yīng)該滿足客車對動力性能和續(xù)駛里程的要求[3]，客車行駛的動力性能通常用4個指標來評價：1）起步加速性能?？蛙囋诮o定時間內(nèi)由靜止加速到額定車速或行駛到預(yù)定距離的能力。2）以額定車速穩(wěn)定行駛的能力。對純電動客車來說，蓄電池和電動機應(yīng)該能夠提供車輛以額定車速穩(wěn)定行駛的全部功率需求，并且根據(jù)我國的道路狀況至少能克服坡度為3%的路面阻力。3）以最高車速穩(wěn)定行駛的能力。在純電動客車上，電動機發(fā)出的功率應(yīng)該能夠維持車輛以最高車速行駛。4）爬坡能力。純電動客車能以一定的車速穩(wěn)定行駛在一定坡度的路面上。

另外，蓄電池所輸出的電能和電量應(yīng)該能夠維持客車在一定運行工況下行駛額定的里程。

1.2.2 電動機參數(shù)設(shè)計

電動機的功率包括額定功率和最大功率，電動機的功率選取越大，則純電動客車的后備功率越大，加速性能和爬坡性能越好，但同時電動機的體積和質(zhì)量也會迅速增加，而且會使電動機不能正常工作在峰值功率附近，使電動機的效率下降。因此，電動機的功率不能選得太大，應(yīng)該依照客車的最高行駛車速、爬坡度及加速性能來確定其功率[4]。設(shè)計中通常以先保證汽車預(yù)期的最高車速來初步選擇電動機應(yīng)有的功率。已知電動機預(yù)期的最高車速，選擇的電動機功率應(yīng)大體上等于汽車以最高車速行駛時消耗的功率與行駛阻力消耗的功率之和，其計算公式，如式（1）所示。

式中：P——電動機功率，kW；

m——整車質(zhì)量，kg；

f——滾動阻力系數(shù)；

CD——空氣阻力系數(shù)；

A——迎風(fēng)面積，m2；

umax——最高車速，m/s；

g——重力加速度，取9.8 m/s2。

純電動客車以某一車速爬上一定坡度消耗的功率，如式（2）所示。

式中：ua——電動汽車行駛速度，km/h；

i——坡度。

純電動客車在水平路面上加速行駛消耗的功率，如式（3）所示。

式中：δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；

Iw——車輪的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；

If——飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；

r——車輪滾動半徑，m；

ig，i0——變速器、主減速器傳動比；

ηt——傳動效率；

t——加速時間，s。

總之，純電動客車的電動機功率應(yīng)能同時滿足汽車對最高車速、加速度及爬坡度的要求，所以純電動客車電動機的額定功率（Per/kW），如式（4）所示。

電動機的最大功率（Pemax/kW），如式（5）所示。

式中：λ——電動機的過載系數(shù)。

純電動客車以某一速度勻速行駛時，整車能量消耗，如式（6）所示。

式中：ui——每個狀態(tài)的純電動客車行駛速度，km/h；

Pi——每個狀態(tài)純電動客車消耗的功率，kW。

1.2.3 傳動系傳動比設(shè)計

傳動比的選擇應(yīng)該滿足汽車預(yù)期最高車速、最大爬坡度及加速時間的要求[5]。

1）傳動系最小傳動比（itmin）是由電動機最高轉(zhuǎn)速和最高行駛車速確定，計算公式，如式（7）所示，傳動系總傳動比（it），如式（8）所示。

2）傳動系最大傳動比（itmax）是由電動機最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩和最大行駛車速對應(yīng)的行駛阻力確定，計算公式，如式（9）所示。

式中：Fumax——最高車速對應(yīng)的行駛阻力，N；

Tumax——電動機最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩，N·m。

1.2.4 電池組容量設(shè)計

電池組容量的選擇主要考慮客車行駛時的最大輸出功率和消耗的能量，以保證客車對動力性和續(xù)駛里程的要求[6]。蓄電池攜帶的能量必須大于或等于客車的最大能耗，這樣才能保證客車行駛要求。電池組數(shù)目計算公式，如式（10）所示。

式中：ηe——電動機的工作效率；

ηec——電動機控制器的工作效率；

N——單個電池組所包含的電池的數(shù)目；

Pemax——電動機實際輸出最大功率，kW；

Pbmax——電動機額定最大功率。

2 純電動客車傳動系A(chǔ)DVISOR仿真模型

文章研究的純電動客車的傳動系主要由電動機、蓄電池及傳動系組成，如圖1所示。

圖1 純電動客車傳動系A(chǔ)DVISOR模型圖

根據(jù)純電動客車的組成，結(jié)合文章的純電動客車計算模型，在ADVISOR軟件中修改建立傳動系、電動機及蓄電池數(shù)據(jù)文件。文章選取的純電動客車主要參數(shù)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 某純電動客車技術(shù)參數(shù)及性能要求

3 純電動客車仿真運行結(jié)果分析

根據(jù)ADVISOR軟件提供的道路循環(huán)工況，文章選取了CYC.ECE工況[7]進行仿真，同時對最高車速、加速性能及爬坡能力等參數(shù)進行仿真，分析該純電動客車傳動系性能，為純電動客車設(shè)計提供依據(jù)。圖2示出純電動客車的車速、荷電狀態(tài)、扭矩及功率主要參數(shù)仿真結(jié)果。

圖2 純電動客車主要動力參數(shù)仿真結(jié)果

從圖2可知，車速變化范圍在0～85 km/h，而文章設(shè)定的最高預(yù)期車速為100 km/h，顯然采用的電動機類型難以滿足最高車速設(shè)計要求，主要原因是電池模型選取的是一個簡單的等效模型，忽略了電池內(nèi)阻變化的影響。電動客車上使用的電池組中電池數(shù)量眾多，因此準確地檢測出各個電池電量的均勻性對蓄能狀態(tài)有顯著影響。文章選取的電池模型首先要滿足充電后純電動客車行駛里程盡可能遠，在滿足續(xù)駛里程下盡量保證動力性也就是最高車速，因此在后續(xù)改進過程中加入電池電量一致性的影響因素模型可以改善動力性指標不足的問題。從車速變化范圍可以看出平均車速約為30 km/h，符合城市道路行車特點，也比較適用于城市客車使用的特點。SOC基本穩(wěn)定在0.8以上，表明蓄電池組性能優(yōu)良，具有較好的充放電性能，可以滿足電動客車長距離續(xù)駛里程的要求。扭矩變化在0～50 N·m，恒扭矩區(qū)間較短，說明電動機扭矩輸出穩(wěn)定性還有待提高和改善。功率輸出參數(shù)基本在設(shè)計參數(shù)范圍內(nèi)，誤差變化較小。

4 結(jié)論

文章對純電動客車傳動系參數(shù)進行了分析，建立了傳動系的動力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，以某純電動客車為研究對象，對動力性能進行了仿真試驗，結(jié)果表明：利用ADVISOR仿真與電動客車實際復(fù)雜的運行工況情況是有差異的（軟件中運行工況基本上是勻速行駛狀態(tài)，而實際道路下，純電動客車是在加減速等變的工況下運行），因此需建立準確的電動機和傳動系等部件模型進行測試與仿真。文章所建立的純電動客車模型SOC在較長時間運行時能夠穩(wěn)定在0.8以上，有利于保證純電動客車較長續(xù)駛里程，為純電動客車的應(yīng)用提供了保障。