純電動(dòng)牽引車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真

趙強(qiáng) 曲萬(wàn)達(dá) 張國(guó)棟 陳麗君

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011）

純電動(dòng)牽引車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真

趙強(qiáng) 曲萬(wàn)達(dá) 張國(guó)棟 陳麗君

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011）

以某純電動(dòng)牽引車為研究對(duì)象，依據(jù)汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)該牽引車的電機(jī)和動(dòng)力電池進(jìn)行了選型和參數(shù)匹配。利用CRUISE軟件搭建了性能仿真模型，針對(duì)不同工況對(duì)該車進(jìn)行了最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度及經(jīng)濟(jì)性仿真分析。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，該純電動(dòng)牽引車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配過(guò)程合理，仿真分析方法可靠有效。

1 前言

目前，大部分純電動(dòng)商用車是在原柴油車的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，導(dǎo)致整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性發(fā)生變化[1]。由于純電動(dòng)商用車具有唯一的動(dòng)力系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)控制策略相對(duì)固定，因此合理的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配是提高純電動(dòng)商用車性能的重要手段之一。相關(guān)學(xué)者針對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配問(wèn)題進(jìn)行了研究，如，何洪文等[2]著重分析了電機(jī)的動(dòng)力特性，對(duì)完成電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配具有重要理論意義；劉靈芝等[3]建立了某型純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略，提出了動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)方法；張抗抗等[4]選擇若干個(gè)可優(yōu)化指標(biāo)，建立參數(shù)匹配的目標(biāo)優(yōu)化模型，并通過(guò)遺傳算法對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配；周飛鯤[5]以提升整車性能為目標(biāo)，對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了對(duì)比仿真分析。上述研究往往以整車動(dòng)力性為指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)匹配，缺少對(duì)經(jīng)濟(jì)性的綜合考慮。

本文以某純電動(dòng)牽引車為研究對(duì)象，依據(jù)汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，對(duì)電機(jī)、動(dòng)力電池等關(guān)鍵總成進(jìn)行了參數(shù)匹配，并利用CRUISE軟件對(duì)整車進(jìn)行了性能仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證，為純電動(dòng)牽引車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及性能優(yōu)化提供了依據(jù)和支撐。

2 純電動(dòng)牽引車特性分析

2.1 構(gòu)型方案

純電動(dòng)牽引車動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)型較為靈活，主要包括電機(jī)直驅(qū)、輪邊電機(jī)及電機(jī)+變速器等方案，如圖1所示。電機(jī)直驅(qū)方案（圖1a）相對(duì)比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有變速器進(jìn)行變速，低速時(shí)電機(jī)需要具有較大的扭矩；輪邊電機(jī)方案（圖1b）中沒(méi)有傳動(dòng)軸、后橋主減速器，傳動(dòng)效率較高，但非簧載質(zhì)量較大，影響汽車平順性，而且開發(fā)成本較高；電機(jī)+變速器方案（圖1c）在汽車爬坡或起步時(shí)可輸出較大扭矩，整車行駛時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以維持在較高的效率區(qū)，因此本文采用電機(jī)+變速器方案。

圖1 純電動(dòng)牽引車主要結(jié)構(gòu)構(gòu)型

2.2 基本構(gòu)成

純電動(dòng)牽引車主要由底盤、車身、動(dòng)力系統(tǒng)及電動(dòng)附件等組成，其動(dòng)力系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)等組成[6]，電動(dòng)附件主要包括空調(diào)壓縮機(jī)、PTC加熱器、轉(zhuǎn)向油泵、空氣壓縮機(jī)等。純電動(dòng)牽引車主要總成部件如圖2所示。

圖2 純電動(dòng)牽引車主要部件

3 純電動(dòng)牽引車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

純電動(dòng)牽引車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配是根據(jù)整車的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)部件進(jìn)行選型和參數(shù)確定，主要針對(duì)電機(jī)和動(dòng)力電池進(jìn)行參數(shù)匹配。

3.1 整車參數(shù)

本文所研究的車型為6×4純電動(dòng)牽引車，其整車參數(shù)如表1所示。

3.2 電機(jī)參數(shù)確定

3.2.1 電機(jī)功率

電機(jī)的額定功率和峰值功率是電機(jī)的重要參數(shù)，關(guān)系到電動(dòng)車的安全及性能。一定條件下電機(jī)具有過(guò)載能力，能夠短時(shí)間內(nèi)工作在峰值功率，此時(shí)電機(jī)能夠輸出較大的扭矩，但電機(jī)過(guò)載時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成電機(jī)內(nèi)線圈過(guò)熱，能量以熱量形式損失。通常情況下根據(jù)電動(dòng)車的最高車速確定額定功率，根據(jù)最大爬坡度和加速時(shí)間確定峰值功率[7～9]。

表1 純電動(dòng)牽引車整車參數(shù)

a.根據(jù)最高車速確定電機(jī)功率，計(jì)算式為：

式中，ηT為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)效率；M為整車滿載質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動(dòng)摩擦系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；Vmax為最高車速。

b.根據(jù)最大爬坡度確定電機(jī)功率，計(jì)算式為：

式中，Vn為爬坡車速；α為坡度角。

c.根據(jù)加速時(shí)間確定電機(jī)功率，計(jì)算式為：

式中，δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；Vt為t時(shí)刻的車速；t為0～Vt的加速時(shí)間。

將整車參數(shù)代入式（1）～式（3）可求出所需的電機(jī)功率，結(jié)果如表2所示。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，電機(jī)額定功率應(yīng)不小于212 kW，電機(jī)峰值功率應(yīng)不小于332 kW。

3.2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速

車速越高時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也越高，根據(jù)式（4）可確定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速：

表2 所需電機(jī)功率

式中，n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速；ig為變速器最高擋位速比；i0為驅(qū)動(dòng)橋速比；r為輪胎滾動(dòng)半徑。

將各參數(shù)代入式（4）得電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 860 r/min。

綜合以上電機(jī)功率及轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果，同時(shí)結(jié)合目前市場(chǎng)上的電機(jī)資源，本文匹配的電機(jī)基本參數(shù)如表3所示，電機(jī)特性曲線如圖3所示。

表3 電機(jī)基本參數(shù)

圖3 特性曲線

3.3 動(dòng)力電池參數(shù)確定

動(dòng)力電池是純電動(dòng)牽引車的唯一動(dòng)力源，因此必須滿足車輛行駛時(shí)輸出的最大功率和車輛的續(xù)駛里程。

a. 根據(jù)峰值功率計(jì)算電池的最大放電功率[10]，計(jì)算式為：

式中，Pbmax為動(dòng)力電池的最大放電功率；Pemax為電機(jī)峰值功率；Pimax為電動(dòng)附件峰值功率；ηb為動(dòng)力電池放電效率。

將電機(jī)的峰值功率（332 kW）、電動(dòng)附件峰值功率（取6.2 kW）、動(dòng)力電池放電效率（取0.94）代入式（5），可得動(dòng)力電池最大放電功率為360 kW。

b. 根據(jù)續(xù)駛里程計(jì)算動(dòng)力電池電量[10]，計(jì)算式為：

式中，Qb為動(dòng)力電池電量；L為續(xù)駛里程；Vh為行駛車速；Ph為Vh對(duì)應(yīng)的電機(jī)功率；SOC=20%為最小剩余電量。

當(dāng)整車滿載以40 km/h車速行駛時(shí)，由式（1）可得電機(jī)功率為43.7 kW，可求得動(dòng)力電池電量為298 kW·h。

綜合以上動(dòng)力電池參數(shù)計(jì)算結(jié)果，本文匹配的動(dòng)力電池基本參數(shù)如表4所示。

表4 動(dòng)力電池基本參數(shù)

4 基于CRUISE的純電動(dòng)牽引車性能仿真

4.1 仿真建模

純電動(dòng)牽引車是后輪驅(qū)動(dòng)，根據(jù)該車構(gòu)型，車輛的驅(qū)動(dòng)力由電機(jī)發(fā)出，經(jīng)過(guò)變速器、軸間差速器、主減速器、輪間差速器、半軸傳到驅(qū)動(dòng)輪。利用CRUISE仿真軟件提供的元件庫(kù)建立仿真模型，按各元件的信號(hào)或能量輸入、輸出關(guān)系進(jìn)行總線數(shù)據(jù)連接和連接線連接，并對(duì)動(dòng)力性指標(biāo)（包括最高車速、最大爬坡度、加速時(shí)間）和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)（包括噸百公里耗電量）進(jìn)行仿真。純電動(dòng)牽引車仿真模型如圖4所示[11]。

4.2 最高車速和加速時(shí)間仿真

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18385—2005《電動(dòng)汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》中的要求，在計(jì)算任務(wù)中進(jìn)行加速行駛設(shè)置，得到電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、扭矩及整車車速、加速時(shí)間的仿真結(jié)果，如圖5和表5所示。

由圖5可看出，當(dāng)加速時(shí)間tlt;50 s時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速小于1 200 r/min，處于低轉(zhuǎn)速區(qū)，電機(jī)扭矩保持最大值，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，電機(jī)功率增大，整車車速隨之升高；當(dāng)t=50 s時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 200 r/min，車速達(dá)到58 km/h，電機(jī)功率達(dá)到最大值；當(dāng)tgt;50 s時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，受恒功率特性的限制，電機(jī)扭矩持續(xù)下降，而車速繼續(xù)升高；當(dāng)t=95 s時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 880 r/min，電機(jī)扭矩達(dá)到最小值，車速達(dá)到最大值為91 km/h。當(dāng)t=74.2 s時(shí)，車速達(dá)到80 km/h，由于采用12擋變速器，每擋換擋的放電功率為50.8 kW。

圖4 純電動(dòng)牽引車仿真模型

圖5 純電動(dòng)牽引車加速行駛仿真結(jié)果

表5 純電動(dòng)牽引車加速時(shí)間仿真結(jié)果

4.3 最大爬坡度仿真

在計(jì)算任務(wù)中進(jìn)行爬坡行駛設(shè)置，對(duì)每擋位進(jìn)行爬坡度仿真，仿真結(jié)果如表6所示。由表6可知，純電動(dòng)牽引車最低擋時(shí)的最大爬坡度為27.87%。

表6 純電動(dòng)牽引車各擋位爬坡度

4.4 經(jīng)濟(jì)性仿真

在循環(huán)工況計(jì)算任務(wù)中進(jìn)行等速行駛設(shè)置，將車速設(shè)為40 km/h，得到等速工況動(dòng)力電池的放電功率曲線如圖6所示。由圖6可看出，在40 km/h等速下動(dòng)力電池

圖6 等速工況動(dòng)力電池的放電功率曲線

式中，Et為噸百公里耗電量；M為列車總質(zhì)量；P為電池

根據(jù)耗電量計(jì)算式（7）可求出噸百公里耗電量：放電功率；V為整車車速。

該牽引車的總質(zhì)量為49 t，動(dòng)力電池放電功率為50.8 kW，整車車速為40 km/h，將這些參數(shù)代入式（7）,得到噸百公里耗電量為2.59 kW·h。

5 試驗(yàn)對(duì)比

為驗(yàn)證參數(shù)匹配過(guò)程的合理性以及仿真模型的可信性和可行性，對(duì)純電動(dòng)牽引車進(jìn)行了動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)，仿真與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表7所示。由表7可知，最高車速、加速時(shí)間及耗電量的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差分別為2.2%、2.6%和5.7%。該結(jié)果表明，純電動(dòng)牽引車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真指標(biāo)與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，誤差在可接受范圍內(nèi)。

表7 動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以某純電動(dòng)牽引車為研究對(duì)象，分析了其動(dòng)力系統(tǒng)基本構(gòu)型，并確定以電機(jī)+變速器為構(gòu)型方案，根據(jù)整車性能指標(biāo)對(duì)其電機(jī)及動(dòng)力電池進(jìn)行了選型和參數(shù)匹配。通過(guò)CRUISE軟件搭建了性能仿真模型，針對(duì)不同工況對(duì)該車進(jìn)行了最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度及經(jīng)濟(jì)性仿真分析。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，該純電動(dòng)牽引車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配過(guò)程合理，仿真分析方法可靠有效。

1 姬芬竹，高峰.電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006,34(4)：33～37.

2 何洪文，余曉江，孫逢春,等.電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力特性分析.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(6)：136～140.

3 劉靈芝，張炳力，湯仁禮.某型純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配研究.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，30(5)：591～593.

4 張抗抗,徐梁飛,華劍鋒,等.基于多目標(biāo)優(yōu)化的純電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法.汽車工程，2015，37（7）：757～765.

5 周飛鯤.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及整車控制策略研究：[學(xué)位論文].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

6 王鉦強(qiáng),宋書全.純電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)與開發(fā).汽車技術(shù),2013(2)：26～28，35.

7 周勝.純電動(dòng)汽車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性分析：[學(xué)位論文].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2013.

8 余志生主編.汽車?yán)碚?北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

9 鄭慧勤.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：[學(xué)位論文].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

10 楊峰.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與優(yōu)化：[學(xué)位論文].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

11 袁苑.中型純電動(dòng)客車動(dòng)力參數(shù)匹配仿真及再生制動(dòng)研究：[學(xué)位論文].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

（責(zé)任編輯 文 楫）

The Parameters Matching and Simulation of Pure Electric Tractor Power System

Zhao Qiang,Qu Wanda,Zhang Guodong,Chen Lijun
（China FAW Corporation Limited Ramp;D Center,Changchun 130011）

Type selection and parameter matching were carried out for motor and power battery of a pure electric tractor according to vehicle power and economic index.Performance simulation model was built in CRUISE environment,and simulation analysis was made regarding maximum speed,acceleration time,maximum gradeability and economy under different driving conditions.Simulation results were compared with test results,which show that the power system parameter matching process of this electric tractor is rational,the simulation analysis method is reliable and effective.

Pureelectrictractor,Parameter match,Simulation

純電動(dòng)牽引車 參數(shù)匹配 仿真

U462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-3703（2017）09-0053-05