純電動城市客車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配及仿真分析

沈鑫澤，何鋒，鄭永樑，王文亮

（550025 貴州省 貴陽市 貴州大學 機械工程學院）

0 引言

汽車工業(yè)在新時代發(fā)展中需要同時考慮環(huán)境問題和能源問題所帶來的影響，因此企業(yè)運用先進車輛信息技術(shù)來研發(fā)新能源汽車是發(fā)展汽車工業(yè)的必經(jīng)之路。純電動客車作為新能源汽車的重要組成部分之一，也逐漸被各大制造商認可。

為提高新能源汽車性能，近年來有關(guān)其匹配設(shè)計優(yōu)化方案的研究也越來越多。田韶鵬[1]等通過增大主減速器傳動比來提高汽車的工作效率；袁苑[2]等通過某純電動客車的技術(shù)參數(shù)驗證了Cruise 軟件仿真分析的可行性；朱日瑩[3]等對電動汽車整車及開關(guān)磁阻電機的動態(tài)性能進行了仿真分析，同步提高了蓄電池利用效率和整車性能；車帥[4]利用MATLAB 軟件建立了內(nèi)部管控策略模型，與HIL 臺架進行聯(lián)合仿真結(jié)果分析。由此可見，對純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配等方面的研究具有現(xiàn)實意義。

本文選擇某純電動城市客車，匹配設(shè)計動力系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，利用Cruise 軟件對車輛模型進行模擬仿真，聯(lián)合Simulink 模擬在多種工況條件下的整車動力性能和經(jīng)濟性能，為實車試驗提供數(shù)據(jù)參考。

1 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計

純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)不僅能夠通過合理的匹配設(shè)計來改善整車性能，還可以為Cruise 軟件模型提供數(shù)據(jù)支持。

1.1 整車參數(shù)和性能要求

以某純電動城市客車為例，總質(zhì)量13 800 kg，迎風面積6.8 m2，空阻系數(shù)0.65，滾動半徑0.471 m，轉(zhuǎn)動慣量系數(shù)為1.1，具體性能設(shè)計要求見表1。

表1 車輛設(shè)計要求Tab.1 Vehicle design requirements

1.2 驅(qū)動電機的選型和參數(shù)匹配

根據(jù)汽車動力學，阻力所消耗的功率包含滾動阻力功率、空氣阻力功率、坡度阻力功率以及加速阻力功率，4 種功率的平衡方程為

整車所需功率應均滿足最高車速、爬坡性能和加速性能的需求功率P1,P2和P3，最終需求功率應大于上述3 種功率[5]。

當所需功率達到最高車速時可計算為

式中：m——整車質(zhì)量；f——滾動阻力系數(shù)；CD——風阻系數(shù)；A——迎風面的面積；u——車速；ηT——傳動系傳動效率。

利用MATLAB 軟件計算不同車速下的需求功率如圖1 所示。

圖1 功率圖Fig.1 Power diagram

規(guī)定城市客車最高車速69 km/h 對應的需求功率P1=39.17 kW。

滿足爬坡性能時的需求功率可計算為

式中：vi——車輛完成爬坡時的速度；αmax——最大爬坡角；imax——最大爬坡度。αmax=arctan imax。

利用MATLAB 分別計算速度為10 km/h，爬坡度為7%和12%時所需電機功率。7%持續(xù)爬坡電機需求功率為32.45 kW；12%最大爬坡度電機功率為52.63 kW。4%爬坡度下速度為30 km/h時需求功率為63.09 kW，50 km/h 時需求功率為110.4 kW。持續(xù)爬坡時使用的功率是電機的額定功率，滿足爬坡性能時所需功率約等于雙倍的額定功率，因此為124.18 kW。

滿足加速性能時的需求功率可計算為

式中：通常取擬合系數(shù)x 為0.5；tm——加速過程的時間；vm——加速過程的末速度。

擬合結(jié)果如圖2 所示。根據(jù)加速度指標，18 s內(nèi)完成0～50 km/h 加速，P3=117.1 kW。

圖2 車速功率擬合Fig.2 Vehicle speed power fitting

因此，最終電機所需功率P ≥{P1，P2，P3}max。

行駛阻力方程為

式中：Tm——需求扭矩，N·m；ig——變速箱速比；i0——主減速比；η——傳動效率，%；r——輪胎半徑，m。

通過扭矩計算，10 km/h 下12%坡度下所需電機最大扭矩和額定轉(zhuǎn)速見表2。

表2 不同速比對比Tab.2 Comparison of different speed ratios

根據(jù)最大功率和最大扭矩繪制電機初步選型區(qū)間，最后選型的外特性應包絡(luò)此區(qū)域。

最終選擇的電機數(shù)據(jù)見表3。

表3 電機數(shù)據(jù)Tab.3 Motor data

所選電機包絡(luò)如圖3 所示，匹配計算范圍滿足要求。

圖3 電機外特性Fig.3 External characteristics of the motor

1.3 電池匹配計算

在動力電池中，磷酸鐵鋰蓄電池具備安全環(huán)保、成本低、可循環(huán)使用壽命長且無記憶效應等特點，因此選擇磷酸鐵鋰蓄電池匹配計算電池容量和電池組數(shù)目。

電池選型先輸入已有電池單體的開路電壓（OCV）曲線，使用單個電池包，評估中國城市客車循環(huán)工況（CCBC）與40 km/h 等速工況的電耗值和續(xù)駛里程如表4 和表5 所示。

表4 65%加載下的能耗Tab.4 Energy consumption under 65% load

表5 經(jīng)濟性指標Tab.5 Economic indicators

計算可得，40 km/h 等速工況下的能耗為121.623 kW·h，CCBC 循環(huán)工況下單個電池組的循環(huán)能耗為106.38 kW·h。選用的電池參數(shù)匹配結(jié)果見表6。

表6 電池參數(shù)匹配結(jié)果Tab.6 Matching results of battery parameters

所需電池組數(shù)目如下：

式中：d——放電深度，通常取0.8。

由此可得，6 個標準箱串聯(lián)，并聯(lián)數(shù)目4 個，單體電池需求總量為768個，電池組總?cè)萘繛?72 A·h，總電壓為618 V，總電功為168.156 kW·h。

2 Cruise 建模

2.1 整車模型搭建

Cruise 軟件采用模塊化布置，通過實施交互式環(huán)境圖形化，只需增添模塊，建立標準的機械連接和信號連接，即可快速建立車輛的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進行精準計算，且易于修正配置，可與Simulink進行協(xié)同仿真。因此本文選用Cruise 軟件對純電動城市客車進行模型搭建，如圖4 所示。

圖4 整車模型Fig.4 Vehicle model

在整車控制模塊中錄入車輛基本特征參數(shù)[6]。輸入電機的類型、工作模式、額定電壓、最高轉(zhuǎn)速和電機特性參數(shù)。輸入電池的單體相關(guān)信息、電池組的串并數(shù)和電池單體的OCV 特性曲線。由于電機的額定電壓只有380 V，需要DCDC 充當電機控制器模塊。選用的電機為150 kW，所以轉(zhuǎn)換功率要大于150 kW。設(shè)置高壓邊的額定電壓，低壓邊的額定電壓完成電壓的轉(zhuǎn)換。定義電機的最大扭矩與最小扭矩定義、傳動速比與傳動效率以提供控制策略使用。

2.2 控制策略搭建

通過Simulink 的RTW 生成動態(tài)鏈接庫DLL文件，輸入信號連接驅(qū)動模塊如圖5，通過聯(lián)通Cruise 軟件以實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的共享。

圖5 輸入信號連接驅(qū)動模塊Fig.5 Input signal connection to drive module

整車控制策略的主要內(nèi)容就是解決對發(fā)動機和電動機能量輸出的合理分配問題。純電動汽車控制策略通常是根據(jù)電池的荷電狀態(tài)（SOC）、加速度和油門開度，使電動機輸出相應的扭矩，本文以扭矩控制為主要參數(shù)進行計算。

驅(qū)動扭矩限制是根據(jù)當前工況下驅(qū)動扭矩的最大允許值，對驅(qū)動電機限制其輸出扭矩，以保障整車安全性能。當驅(qū)動電機過載運行時，升高溫度值過大，電機驅(qū)動系統(tǒng)易損毀。扭矩限制的控制策略是依據(jù)驅(qū)動電機的驅(qū)動扭矩需求，限制輸出電機控制信號。

根據(jù)當前車速與油門開度決定需求扭矩，如圖6 所示。

圖6 油門開度所需扭矩Fig.6 Torque required for throttle opening

通過SOC 限制輸出扭矩，可避免在低SOC下放電，并且能夠延長電池壽命。對驅(qū)動扭矩變化率進行限制，以防扭矩突變。結(jié)合SOC 限制系數(shù)與限制扭矩，獲得電機控制信號，并對最后的扭矩是否滿足電機外特性進行判斷，輸出電機控制信號。為避免出現(xiàn)電機回收與駕駛員制動需求不相符的情況，應進行相應的機械制動補償制定。最后通過判斷制動踏板實現(xiàn)模式切換。驅(qū)動扭矩控制策略如圖7 所示。

圖7 驅(qū)動扭矩控制策略Fig.7 Drive torque control strategy

3 仿真結(jié)果分析

3.1 動力性分析

（1）最高車速分析

由Cruise 動力性模型進行仿真計算，結(jié)果見圖8，所得最高車速是124 km/h，達到國標最高車速要求，并采用控制策略對驅(qū)動扭矩進行限制。

圖8 動力性指標計算結(jié)果Fig.8 Calculation results of dynamic index

（2）最大爬坡度分析

根據(jù)國標要求，對其爬坡工況進行仿真，仿真結(jié)果如圖9、圖10 所示。最大爬坡度是16.81%，可以達到車輛設(shè)計要求。

圖9 10 km/h 下峰值功率的爬坡度Fig.9 Gradeability of peak power at 10 km/h

圖10 10 km/h 下額定功率的爬坡度Fig.10 Gradeability of rated power at 10 km/h

（3）加速時間分析

純電動城市客車在滿載狀態(tài)下，速度0～50 km/h所需加速行駛的時間為12.11 s，動力穩(wěn)定輸出，符合車輛設(shè)計要求。具體數(shù)據(jù)如見表7 和圖11。

表7 動力性仿真數(shù)據(jù)Tab.7 Dynamic simulation data

3.2 經(jīng)濟性分析

對CCBC 工況和40 km/h 等速工況進行仿真，仿真結(jié)果如圖12、圖13。CCBC 工況下百公里電耗53.19 kW·h，續(xù)駛里程260 km；40 km/h 等速工況下百公里電耗34.26 kW·h，續(xù)駛里程370 km，均符合車輛設(shè)計要求。

圖12 CCBC 工況跟隨結(jié)果Fig.12 CCBC working condition following results

圖13 40km/h 等速工況續(xù)航結(jié)果Fig.13 Endurance results of 40 km/h constant speed condition

4 結(jié)論

（1）根據(jù)電動城市客車的設(shè)計目標，應用Cruise 軟件在匹配設(shè)計相關(guān)參數(shù)基礎(chǔ)上搭建純動力系統(tǒng)模型，聯(lián)合Simulink 設(shè)計控制策略限制驅(qū)動扭矩的輸出，仿真分析其動力性能和經(jīng)濟性能。

（2）通過仿真結(jié)果，最高車速、最大爬坡度、加速時間和續(xù)駛里程與此車輛設(shè)計要求是相符的，驗證了動力系統(tǒng)參數(shù)匹配方案和搭建的仿真模型的有效可靠性，為后續(xù)的研究提供了一定基礎(chǔ)。