純電動客車動力系統(tǒng)參數匹配與仿真分析*

李廷朋，封 進，張瑞賓，龍云澤，張順興

（桂林航天工業(yè)學院汽車工程學院，廣西桂林 541004）

0 引言

隨著新能源汽車關鍵技術的不斷突破，新能源汽車的發(fā)展也逐步加快。純電動客車相比傳動客車在結構和性能方面均具有諸多優(yōu)點[1-2]，因此純電動客車也逐漸成為科研院所和汽車廠商的研究重點[3-5]。為了滿足整車的動力性能與經濟性能指標要求，在整車開發(fā)前期進行參數匹配與性能仿真分析研究具有相應的工程應用意義。杜常清等[6]通過對輕型純電動客車設計了單級、雙級以及四級變速器傳動系統(tǒng)布置方案，通過對3種布置方案進行參數匹配并基于Cruise 軟件進行動力性能和經濟性能仿真分析，結果表明雙級變速器具有最佳優(yōu)勢。屈進勇等[7]以某款純電動客車為研究對象，并對其傳動系統(tǒng)參數進行了選型和參數匹配，通過仿真分析研究以及樣車試驗，驗證了動力系統(tǒng)參數匹配的合理性和結果的可靠性。在滿足動力性能以及經濟性能指標的要求下，進行動力系統(tǒng)關鍵部件選型和參數匹配并確定配置方案，通過仿真分析驗證了仿真結果的合理性[8]。為獲取最優(yōu)動力部件參數匹配結果，建立以動力性和經濟性為目標函數，通過運用遺傳算法對傳動系統(tǒng)傳動比進行優(yōu)化設計，并對匹配參數結果及優(yōu)化設計方案的合理性進行了分析驗證[9]。

本文基于某款純電動客車整車參數與性能指標，對驅動電機、動力電池、傳動比等主要動力部件進行了參數匹配，通過Cruise 軟件仿真平臺進行整車動力性能與經濟性能仿真試驗，仿真結果均能達到整車性能指標要求，同時也驗證了整車動力傳動部件參數匹配的合理性。

1 整車結構與基本參數

1.1 純電動客車整車結構

純電動客車與傳統(tǒng)燃油客車在底盤結構上相比，由于采用驅動電機代替了發(fā)動機，因此在結構上相對更加簡單，主要動力部件為動力電池、驅動電機、主減速器、差速器等部分組成[10]，其動力系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 純電動客車基本結構

1.2 純電動客車基本參數

依據純電動客車整車基本參數及性能指標，進行整車關鍵動力部件的參數匹配和選型分析，從而得到整車傳動系統(tǒng)部件仿真基本參數，純電動客車整車參數如表1所示。

表1 純電動客車整車參數

整車性能仿真分析指標主要考慮整車的動力性與經濟性，動力性主要以最高車速、加速時間及最大爬坡度作為評價指標，經濟性主要以NEDC 工況續(xù)航里程和40 km/h 等速續(xù)航里程作為評價指標，整車性能指標如表2所示。

表2 純電動客車性能指標

2 關鍵動力部件參數匹配

純電動客車動力系統(tǒng)參數匹配的結果將影響整車的動力性能和經濟性能，也為整車關鍵動力部件的選型分析提供依據。文中通過運用整車建模仿真分析的方法來驗證動力系統(tǒng)關鍵動力部件參數匹配的合理性，同時可以有效地減少整車的開發(fā)周期，較好地提升整車的動力性能與經濟性能。

2.1 驅動電機參數匹配

驅動電機作為純電動客車唯一的動力源，其參數匹配設計要滿足整車性能指標要求。根據汽車理論相關知識，可以得出整車需要滿足最高速度、加速時間、爬坡性能3 項指標要求[11]。通過滿足3 項性能指標要求可以匹配所需驅動電機相關參數[12]。

驅動電機機必滿足整車最高車速性能指標要求，純電動客車以最高車速行駛所需要滿足的功率Pa為：

式中：m為滿載質量，kg；f為滾動阻力系數；Cd為空氣阻力系數；A為迎風正面面積，m2；umax為最高行駛車速，km/h；η為機械傳動效率。

根據整車的最高車速以及各項參數可得Pa=94.46 kW。

純電動客車以某一車速爬上最大坡度消耗的功率Pb為：

式中：up為電動客車爬坡時的行駛速度，km/h；αmax為最大坡度角，αmax=arctani。

將所預設的最大爬坡度以及各項參數代入上式中：當up=30 km/h，爬坡度i=24%時，Pb=182.33 kW。

純電動客車在水平路面上加速行駛消耗的功率Pc為：

式中：δ為汽車旋轉質量換算系數取1.1；uf為電動客車加速后達到的速度，km/h；du/dt為加速度。

將所預設的參數0～50 km/h 的加速時間為20 s，代入式中可得Pc=101.28 kW。

因此，驅動電機應該滿足以上消耗功率要求，驅動電機峰值功率Pemax應滿足：

電動機的峰值功率和額定功率之間的關系為：

式中：λ為電機的過載系數，一般取值為2～3，文中取值為2。

驅動電機峰值功率為Pemax≥max{94.46 kW；182.33 kW；101.28 kW}=182.33 kW。由于考慮到純電動客車行駛工況復雜多變，為了能使整車發(fā)揮相應的動力性能，同時不造成一定的功率浪費，應具有一定的最大功率余量來滿足實際駕駛需求，因此峰值功率Pemax=200 kW，額定功率Pe=100 kW，驅動電機基本參數如表3所示。

表3 電機基本參數

2.2 動力系統(tǒng)傳動比設計

合理匹配純電動客車動力系統(tǒng)傳動比能夠更充分發(fā)揮電機性能。傳動系統(tǒng)傳動比能夠起到減速增扭的作用，從而提升整車的動力性能，來應對爬坡、起步等大扭矩需求工況[13]。

傳動系統(tǒng)傳動比的上限由電動機最高轉速和最高行駛速度確定如下：

代入參數得出傳動比上限imin≤7.32。

電動機的最高轉速對應的輸出轉矩和最高行駛車速對應的行駛阻力確定傳動比的下限如下式所示：

式中：Tumax為電動機最大輸出轉矩，N·m。

將參數代入上式可得imax≤3.48。

因此，主減速的傳動比3.48≤i0≤7.32，初步定為i0=7。

2.3 動力電池參數匹配

動力電池的容量要滿足行駛里程的要求，電壓要滿足驅動電機工作電壓的要求。目標車輛的性能指標要求在40 km/h 等速續(xù)航里程要大于300 km。通過下式可計算出電池的容量：

式中：Em為電機所消耗的能量，kW·h；T為工況下持續(xù)的時間，h；ηm為電機的工作效率，取值97%。

代入參數可得：P40=18.46 kW；Em=142.73 kW·h。

純電動客車也應該考慮到其他低壓電氣所消耗的能量。低壓附件電氣消耗的功率Plow=2 kW，故純電動客車在等速40 km/h循環(huán)工況下空調及低壓附件電氣消耗的能量為：

式中：Elow為電動客車低壓附件所消耗的能量，kW·h；ηDC為電動客車DC/DC轉換器的效率，取96%。

將參數代入式中計算可得Elow=15.63 kW·h。

所以，純電客車以等速40 km/h 循環(huán)工況下，行駛300 km所消耗的能量即為電池組的總能量為：

式中：E為電池組的總能量，kW·h；ηD為電池的放電深度，為90%。

將參數代入式中計算可得：E=158.63 kW·h，初步取值175.45 kW·h。

動力電池的額定容量的表達式為：

式中：Ce為電池組的額定容量，A·h；Ue為電池組的額定電壓，V。

將參數代入式中計算可得Ce=288.09 A·h，初步取值342 A·h。在鋰離子電池中由于磷酸鐵鋰電池具有高安全性和高比能量特性，比較適合運用于純電動客車上，文中選定動力電池組額定電壓550.62 V，單體標稱電壓為3.22 V，動力電池組基本參數如表4所示。

表4 動力電池組參數

3 整車建模與性能仿真

3.1 純電動客車整車模型建立

純電動客車仿真模型建立基于Cruise 軟件仿真平臺，分別建立整車模塊、動力電池模塊、驅動電機模塊、減速器模塊、車輪模塊、駕駛室模塊等相關參數的設定[14]。同時對各個模塊之間建立機械連接和電氣連接，最后完成所需仿真循環(huán)工況的設置[15]，所建立的整車仿真模型如圖2所示。

圖2 純電動客車仿真模型

3.2 整車性能仿真

整車的動力性能和經濟性能是評價其性能優(yōu)劣的關鍵因素。動力性能仿真評價指標主要有最高車速、加速時間和最大爬坡度，經濟性能仿真評價指標主要為NEDC 工況和等速40 km/h循環(huán)工況。

3.2.1 動力性能仿真分析

整車目標最高車速設定為100 km/h，仿真結果如圖3 所示，結果表明純電動客車的最高車速為103 km/h，符合設計要求?？紤]到客車的行駛工況，整車加速時間設定為0～50 km/h加速過程。通過進行仿真分析，仿真結果如圖4 所示，結果表明純電動客車的加速時間為12.38 s，結果符合設計要求。

圖3 最高車速仿真結果

圖4 加速時間性能仿真結果

在全負荷條件下，整車以30 km/h 速度行駛時的最大爬坡度來作為仿真工況。圖5 所示為純電動客車的爬坡性能仿真結果，仿真結果滿足整車目標設定值。表5 所示為整車動力性能設計目標值與仿真結果的對比，從表中可以看出，純電動客車的最高車速、加速時間、最大爬坡度3 項性能指標均符合設計指標的要求，也驗證了整車動力系統(tǒng)關鍵部件參數匹配結果的合理性。

圖5 爬坡度仿真結果

表5 設計目標值與仿真結果比較

3.2.2 經濟性能仿真分析

整車經濟性能仿真分析為NEDC 循環(huán)工況和40 km/h 等速循環(huán)工況。為防止動力電池因過度放電而減少電池壽命，設定在電池SOC低于10%的情況下，結束整車循環(huán)工況任務。

整車NEDC循環(huán)工況仿真結果如圖6所示，仿真結果表明，在NEDC循環(huán)工況整車續(xù)航里程滿足設計指標要求。

圖6 NEDC循環(huán)工況續(xù)航里程

圖7 所示為純電動客車在40 km/h 等速循環(huán)工況下的仿真結果，結果表明整車在40 km/h 等速循環(huán)工況下的續(xù)航里程符合設計指標要求。

圖7 等速40 km/h 循環(huán)工況續(xù)航里程

表6 所示為純電動客車的經濟性能設計指標與仿真結果對比，結果表明，整車在NEDC 循環(huán)工況和40 km/h 等速循環(huán)工況下續(xù)航里程均能滿足設計指標要求，驗證了動力系統(tǒng)參數匹配的合理性。

表6 設計目標值與仿真結果比較

4 結束語

基于純電動客車整車參數和性能指標，對整車的驅動電機、動力系統(tǒng)傳動比以及動力電池關鍵動力部件進行了參數匹配設計。在整車參數匹配設計的基礎上，通過運用Cruise 軟件分別建立整車模塊、動力電池模塊、驅動電機模塊、主減速器模塊、車輪等模塊，并完成相應信號線的連接以及仿真任務的設置，最終完成整車仿真模型的搭建。以整車的最高車速、加速時間、最大爬坡度作為整車動力性能評價指標，以NEDC 循環(huán)工況和40 km/h 等速循環(huán)工況作為整車經濟性能評價指標。仿真結果表明整車的動力性能和經濟性能符合設計指標要求。仿真結果為后續(xù)進行純電動客車參數匹配設計提供了研究基礎。