太陽能輔助純電動旅游客車動力系統(tǒng)匹配設(shè)計與仿真

白有俊，劉世豪，王軍年，鄭 艷

（1.海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電與汽車工程學(xué)院，海南?？?71127；2.海南大學(xué)機電工程學(xué)院，海南?？?70228；3.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林長春130022）

2018年4月，海南宣布在2030年前初步考慮全島使用清潔能源汽車；7 月26 日，工信部與海南省政府簽訂協(xié)議，支持海南全域推廣清潔汽車應(yīng)用及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，建設(shè)“國家級新能源汽車全域應(yīng)用示范區(qū)”［1］。2019 年 3 月 4 日，海南省政府印發(fā)《海南省清潔能源汽車發(fā)展規(guī)劃》，指出旅游客車領(lǐng)域，從2020 年起新增和更換車輛使用清潔能源汽車比例不低于20%，每年遞增20%，在2024 年起達到100%［2-3］。據(jù)海南省道路運輸局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2019 年1 月，海南省已有道路旅游客車4 799 輛，但仍以柴油客車為主，33~38 座居多。因此，大力發(fā)展清潔能源客車是未來幾年海南旅游產(chǎn)業(yè)的主要任務(wù)。

2018 年，黨中央、國務(wù)院決定支持海南全島建設(shè)自由貿(mào)易試驗區(qū)。2019年4月29日，海南省印發(fā)《海南省電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃（2019—2030）》［3］，將進一步發(fā)展和完善電動汽車充電配套設(shè)施，在公路沿線、小區(qū)、停車場及生態(tài)功能區(qū)等配套建設(shè)城市公共充換電站。充電站的完善將為純電動汽車的發(fā)展提供有力保障。另外，海南省地處亞熱帶和熱帶地區(qū)，空氣質(zhì)量好、風(fēng)景優(yōu)美、氣候獨特，2016—2019年每年接待國內(nèi)游客總?cè)藬?shù)分別為6 023.6 萬、6 745.1 萬、7 627.39 萬、8 311.2 萬人次。此外，海南省陽光穿透性好，太陽能輻射量較高，具有較好的太陽能資源區(qū)域應(yīng)用優(yōu)勢。因此，在海南開發(fā)應(yīng)用太陽能輔助純電動旅游客車具有良好的前景和綠色環(huán)保示范效應(yīng)。

日本豐田研制的新款普銳斯太陽能輔助充電車，在車頂、發(fā)動機蓋及后尾門處的光伏太陽能電池板采用轉(zhuǎn)化率為34%的砷化鎵太陽能電池，電池薄膜厚度約0.03 mm，理想晴天充電可以使該車輛續(xù)航里程約44 km；德國、荷蘭等也在研制太陽能輔助電動車，這些車輛都在測試階段。據(jù)報道，全球首款搭載太陽能充電系統(tǒng)的量產(chǎn)車型——2020 款現(xiàn)代索納塔Hybrid 已經(jīng)在韓國本土正式上市，但是，日均充電增加的續(xù)航里程約為3.6 km。國外還有一些車輛使用太陽能天窗為鼓風(fēng)機提供電力，用于降低車內(nèi)溫度。我國2016 年生產(chǎn)一批以太陽能為輔助能源的“電氣”新能源公交車，既可加天然氣，也可用充電樁充電，還可吸收太陽能為車輛輔助充電；廣汽新能源Aion S 采用太陽能車頂為車內(nèi)部分電控設(shè)備供電。太陽能電池板需要考慮地理位置、日照時間、陽光入射角度轉(zhuǎn)化效率、厚度、經(jīng)濟性等多種因素。Assadian等［4］在2016 年設(shè)計的柔性太陽能電池為公交車輔助充電，可節(jié)約直接成本和來自電網(wǎng)充電的成本，并減少電池放電率和最大放電百分比。王鑫恫等［5］設(shè)計的輪轂電機驅(qū)動太陽能電動車增加了一定的續(xù)航里程。此外，還有一些設(shè)計的太陽能輔助電動觀光車、混合動力汽車等。

通過上述文獻分析可見，匹配太陽能光伏電池可以一定程度上改善電動汽車續(xù)駛里程。但是，通過參數(shù)設(shè)計在整車質(zhì)量增加與續(xù)航里程之間取得平衡，尤其是對于路線相對固定的旅游用途客車的參數(shù)匹配介紹的并不多。為此，通過海南旅游線路及客車需求分析，以我國熱帶地區(qū)海南省純電動旅游客車作為研究對象，針對在車頂部增設(shè)太陽能輔助充電的某大型純電動旅游客車，進行動力系統(tǒng)和能源系統(tǒng)匹配設(shè)計，運用Advisor 和Matlab 軟件進行仿真驗證，并通過純電動客車和配備太陽能輔助系統(tǒng)純電動客車對比分析，驗證其性能改善效果，為開放和應(yīng)用海南旅游純電動客車及太陽能輔助系統(tǒng)提供一定的參考依據(jù)。

1 海南團隊環(huán)島游及太陽能情況調(diào)研分析

1.1 海南團隊環(huán)島游客車行駛距離和停車時間

根據(jù)對海南某旅行社調(diào)研，目前海南省團隊旅游以3 d 環(huán)島游為主，行駛線路主要為海口和三亞之間往返的G98 東線高速公路。具體行駛距離和停車時間如表1所示。

表1 海南島3 d環(huán)島游客車行駛距離和停車時間Tab.1 Driving distance and parking time of tourist cars around Hainan Island for three days

表1 為3 d 經(jīng)典游統(tǒng)計，景點和時間會根據(jù)每月情況進行調(diào)整，整體變動不大，對車輛需求影響較小。

?？诘饺齺喐咚俟烽L度為272 km，考慮增加到景區(qū)的距離等情況，把續(xù)航里程定為360 km，要求整車續(xù)航里程以滿足白天不換電、不充電情況下正常使用。目前國內(nèi)市面上銷售的純電動客車較少，電動汽車的電池容量決定著續(xù)航里程，電池又是電動汽車最貴的3 個部件之一，因此，高續(xù)航里程的電動客車價格高。為了降低車輛購買成本，以滿足使用，本文通過分析海南旅游客車行駛距離和停車時間的實際情況，結(jié)合假定海南省在所有景點停車場、酒店等配套完善換電或快速充電設(shè)施，根據(jù)表1統(tǒng)計數(shù)據(jù)，取最長距離為151 km的陵水—定安，在酒店、景區(qū)、餐廳等地進行及時充電或者換電?？紤]電池的實際情況，為了保險起見，旅游電動客車滿載續(xù)航里程達到180 km 以上即可滿足團隊旅游的需求。

1.2 海南團隊環(huán)島游地區(qū)太陽能輻射情況

海南省年平均太陽能總輻射量為4 600~5 800 MJ/m2，年平均日照時數(shù)為 2 166 h［6］。根據(jù)文獻［7］整理出?？?、瓊海、三亞的月平均太陽輻射量，如表2所示。

表2 海口、瓊海、三亞的月平均太陽輻射量Tab.2 Monthly average solar radiation in Haikou，Qionghai and Sanya MJ/m2

海南島南部比北部年太陽輻射總量大，2 月是月平均輻射量最低的月份，但此時也正為海南島旅游旺季。為了更加客觀真實地反映出太陽能發(fā)電量，本文選取2 月份的日太陽能輻射量Qmin和年平均日太陽輻射量Qavg進行計算及對比。受車輛一直在南下或北上行駛影響，分別計算出3 d 的輻射量，具體按在白天所在地區(qū)行駛和景點停留時長比例的簡略算法計算。

海南的日輻射量受陰雨天氣等影響，太陽能日輻射量時高時低［8］，太陽能電池受溫度、直射角等影響，會出現(xiàn)個別日太陽能發(fā)電量較低的情況。為保證具有足夠的續(xù)航里程，太陽能只作為汽車輔助充電和應(yīng)用。

2 太陽能輔助純電動旅游客車的組成和要求

2.1 太陽能輔助純電動旅游客車整車參數(shù)

本文以某38 座純電動旅游客車為研究對象，基本參數(shù)如表3所示。

表3 某38座純電動旅游客車參數(shù)Tab.3 Parameters of a 38 seat pure electric tourist bus

2.2 太陽能輔助純電動旅游客車動力系統(tǒng)組成

太陽能輔助純電動旅游客車在車頂安裝太陽能薄膜電池，使用最大功率點跟蹤器控制系統(tǒng)，為動力電池輔助充電。當(dāng)電池滿電時，為鼓風(fēng)機提供電力，降低客車車內(nèi)溫度，同時設(shè)置開關(guān)。其他部分由動力電池、電機、傳動機構(gòu)、直流/交流逆變器、電源管理系統(tǒng)、車輛控制系統(tǒng)、能量回收系統(tǒng)和智能空調(diào)系統(tǒng)等組成，各控制系統(tǒng)之間使用CAN 總線連接。動力電池和太陽能電池主要采用市面上銷售的、成本相對低的類型，因此，采用磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池，太陽能電池采用厚2 mm 的單晶硅半柔性太陽能板，每m2的質(zhì)量約為3 kg。圖1是車型結(jié)構(gòu)簡圖。

圖1 電動旅游客車結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of electric tourist bus

3 動力系統(tǒng)和能源系統(tǒng)設(shè)定匹配

3.1 客車動力性能指標

根據(jù)海南島團隊環(huán)島游旅游客車使用要求，確定所需設(shè)計車輛的動力性能指標，如表4所示。

表4 太陽能輔助純電動旅游客車性能指標要求Tab.4 Performance index requirements of solar assisted pure electric tourist bus

3.2 驅(qū)動電機的參數(shù)匹配確定

3.2.1 驅(qū)動電機的功率

電動汽車的動力功率由達到最高速度時所需的功率Pmax1、能夠滿足爬坡度時所需的功率Pmax2和在加速性能所需的功率Pmax3來確定［9］，單位為kW，公式如下：

式中：Ptotal為車輛設(shè)計滿足各項要求的最大功率，kW；Cd為空氣阻力系數(shù)；vmax為最高車速，vi為爬坡時的車速，vt為加速過車末速度，km/h；f為道路滾動阻力系數(shù)；A為電動客車的迎風(fēng)面積，m2；ηt是整車機械傳遞效率；α為最大爬坡角，（°）；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)；T為加速時間，s。

通過計算得Pmax=432 kW，因此，確定出電機的峰值功率Ptotal=460 kW。電機的額定功率Pd和峰值功率的關(guān)系如下［10］：

式中：λ為電機的過載系數(shù)，取值2~3；Pd為額定功率，值的范圍為154~230 kW，此處選定為230 kW。

3.2.2 驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速

驅(qū)動電機輸出軸與主減速器直接相連，電動機最高轉(zhuǎn)速和主減速器速比的選擇首先應(yīng)滿足車輛最高行駛速度要求［11］：

式中：r為輪胎半徑，m；nmax為電動機最高轉(zhuǎn)速，r/min；i0為主減速器速比（取6.837）。

通過計算得最高轉(zhuǎn)速nmax≥3 792.01 r/min，選定5 000 r/min。符合最高轉(zhuǎn)速≤6 000 r/min 的低速電機，適用于純電動客車的需求［10］。根據(jù)常用車速60 km/h 計算出額定轉(zhuǎn)速nd為2 287.19 r/min，因此，取額定轉(zhuǎn)速2 300 r/min。

3.2.3 電機的扭矩

式中：額定扭矩TMd為1 081.5 N·m；最大扭矩TMmax為2 387.8 N·m。

3.3 太陽能電池發(fā)電量

式中：φ為日平均太陽能輻射量，MJ/m2；ηs為太陽能電池轉(zhuǎn)化率；S為太陽能電池面積，m2；Wt為日均發(fā)電量，kW·h。

環(huán)島游3 d 的地點不同，根據(jù)旅行時間所在地點計算出3 d 的日均發(fā)電量。表5 是根據(jù)太陽輻射量全年最低的2 月份和年日平均輻射量下的日發(fā)電量。

表5 環(huán)島游情況下的2月份日均發(fā)電和全年日平均發(fā)電量Tab.5 The average daily power generation in February and the average daily power generation in the whole year in the case of tourism around the island kW·h

3.4 動力電池的參數(shù)匹配確定

由于客車是服務(wù)旅游的，在保證安全和規(guī)定的情況下盡可能地節(jié)約行車時間，才能提高游客滿意度?？蛙囆旭偟缆分饕歉咚俟?，速度一般在100 km/h；其次是在景區(qū)、賓館等往返，速度一般在60 km/h。因此，按常用的速度100 km/h 計算，同時動力電池容量要在滿載重量下計算：

式中：W為電池容量，kW·h；L為續(xù)航里程，km。

通過計算可知，動力電池容量為225.6 kW·h，荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）估計精度修正參數(shù)取90%，因此，電池容量為250.7 kW·h。

考慮海南溫度情況，全年基本上需要運行空調(diào)制冷。電動客車空調(diào)的額定功率為4.32 kW［12］，按當(dāng)天空調(diào)需用電量為38.88 kW·h。受太陽日輻射量影響，據(jù)文獻［6］海南日最低輻射量存在為0，因此，太陽能輔助發(fā)電不能作為續(xù)航里程電池總?cè)萘吭O(shè)計，帶空調(diào)運行、滿載的電動旅游客車電池容量應(yīng)大于289.58 kW·h?；诜烹娗闆r以及電池衰減等，確定電池容量為300 kW·h。

4 仿真分析

為了驗證純電動客車動力總成和續(xù)航里程是否達到要求，在Advisor中構(gòu)建太陽能電池模塊，修改電機等相關(guān)車輛參數(shù)，通過Advisor 和Matlab 軟件進行仿真。仿真工況按國家標準（GB/T 18389—2017）的電動汽車能量消耗量測試的推薦工況CWTVC［13］。圖 2 為 C-WTVC 循環(huán)工況曲線圖，圖 3為C-WTVC 循環(huán)工況電機轉(zhuǎn)矩與時間關(guān)系圖，圖4為工況電機工作特性圖，圖5 為加速時間與車速關(guān)系圖，圖6 為爬坡度與車速關(guān)系圖，表6 為2 月份日均發(fā)電和全年日平均發(fā)電量表，圖7 為3 種情況下的SOC值與時間關(guān)系圖。

圖7 3種情況下的SOC值與時間關(guān)系圖Fig.7 The relationship between SOC value and time（s）in three cases

表6 2月份日均發(fā)電和全年日平均發(fā)電量Tab.6 Average daily power generation in February and annual average daily power generation

圖2 C-WTVC循環(huán)工況曲線圖Fig.2 C-WTVC cycle condition curve

圖3 C-WTVC循環(huán)工況電機轉(zhuǎn)矩與時間關(guān)系圖Fig.3 Relationship between motor torque and time under C-WTVC cycle condition

圖4 C-WTVC循環(huán)工況電機工作特性圖Fig.4 Working characteristic diagram of motor under C-WTVC cycle condition

圖5 加速時間與車速關(guān)系圖Fig.5 Acceleration time vs.vehicle speed

圖6 爬坡度與車速關(guān)系圖Fig.6 Relationship between gradient and speed

仿真結(jié)果顯示：電動旅游客車的最大車速為131 km/h；0~50 km/h 加 速 時 間 為 7.4 s，0~100 km/h 加速時間為 27.3 s；最大爬坡度為 22.7°；滿載開空調(diào)續(xù)航里程（未安裝太陽能板）為231.9 km。結(jié)果表明，設(shè)計的海南電動旅游客車動力系統(tǒng)和續(xù)航里程都達到指標要求，性能較好，說明整車的動力系統(tǒng)和電池參數(shù)設(shè)計合理。

加裝太陽能板的客車在全年最少太陽輻射量的2 月份日均增加續(xù)航里程3.43%，全年平均日均增加續(xù)航里程4.09%，太陽能板總質(zhì)量約為66 kg，該質(zhì)量引起的客車能量消耗將減少客車當(dāng)日續(xù)航里程0.7 km。太陽能板全年可以發(fā)電6 854.7 kW·h。海口市、三亞市目前電動公交車充電服務(wù)費上限標準分別為0.65、0.80元（/kW·h），電費價格約為0.8元（/kW·h），太陽能輔助純電動旅游客車每年的平均發(fā)電量可以節(jié)省費用約為9 939.3 元。太陽能板市面價格約為6 000 元左右，車企購買價格會更優(yōu)惠。綜合分析純電動旅游客車配裝太陽能輔助既能夠增加續(xù)航里程，又能夠產(chǎn)生經(jīng)濟效益，同時又可以實現(xiàn)低碳節(jié)能環(huán)保。

5 結(jié)論

通過調(diào)研分析海南省旅游客車固定運行線路和單次續(xù)駛時間等實際行駛工況需求，并結(jié)合海南省太陽能資源情況，通過計算出需求，對太陽能輔助純電動旅游客車的動力系統(tǒng)和能源系統(tǒng)等進行了參數(shù)匹配計算，并結(jié)合基于Advisor/Matlab 搭建的整車動力學(xué)模型進行了整車動力性和續(xù)航里程仿真驗證，結(jié)果表明：①太陽能輔助純電動旅游客車整車的動力系統(tǒng)和電池參數(shù)設(shè)計合理，能夠充分滿足需求；②加裝太陽能板后全年平均日增加電量6.13%，滿載開空調(diào)情況下增加續(xù)航里程9.5 km，太陽能板增加滿載開空調(diào)情況下續(xù)航里程的4.09%；③太陽能輔助純電動旅游客車每年的平均發(fā)電量可以節(jié)省費用約為9 939.3 元，加裝柔性太陽能板的價格可以控制在6 000 元以下，基本上在7.3 個月即可收回太陽能板的成本，此后，便可以產(chǎn)生更多的經(jīng)濟效益，安裝太陽能板具有一定的經(jīng)濟價值。

太陽能輔助純電動旅游客車設(shè)計在充換電設(shè)施配備任務(wù)完成的前提下，可以滿足海南旅游市場燃油車輛更換為電動客車的需求，又增加了一定的續(xù)航里程，對海南發(fā)展清潔能源汽車具有較大意義。因此，本文可為研發(fā)者和汽車制造企業(yè)提供參考。隨著太陽能薄膜電池的研究和技術(shù)發(fā)展以及電控系統(tǒng)智能化的升級，價格會逐步降低，轉(zhuǎn)換效率也會逐漸提高，未來在電動汽車的應(yīng)用會更加廣泛。