一種電氣化公路整車的動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

汪帆 龍愛軍 趙湘衡 羅銳

摘要：針對(duì)應(yīng)用在某特定場(chǎng)景下電氣化公路整車的動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，該方案包括儲(chǔ)能系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、大功率DCDC變換器等系統(tǒng)的集成匹配。與普通純電動(dòng)重卡不同的是，儲(chǔ)能系統(tǒng)選擇小電量高倍率的電池系統(tǒng)，并聯(lián)上大功率DCDC，達(dá)到降低整車整備重量，降低整車成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)增大續(xù)航里程滿足長(zhǎng)距離行駛的需求；經(jīng)仿真分析，新方案滿足動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：電氣化公路；動(dòng)力系統(tǒng)；大功率DCDC

中圖分類號(hào)：U462.3? 收稿日期：2023-12-18

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401004

1 前言

電氣化公路的解決方案被稱為動(dòng)態(tài)充電方案，具體為車輛通過受電弓裝置，將電能通過控制和變流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)車輛在公路上運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)充電。該方案相較傳統(tǒng)純電動(dòng)車輛具備多種優(yōu)勢(shì)，首先是電池容量降低，使得整車整備質(zhì)量降低；其次由于電池配置少，整車成本可以降低；最后得益于在網(wǎng)行車隨時(shí)補(bǔ)電，純電續(xù)航理論上可以大大提升，有效解決目前純電動(dòng)車輛續(xù)航短，充電難的問題[1]。

電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)技術(shù)主要由接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)、電動(dòng)車輛、車載受電弓、綜合運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)等部分構(gòu)成[2]；本文主要研究一種應(yīng)用在特定場(chǎng)景下的電氣化公路整車的動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)方案及仿真分析，其中包括儲(chǔ)能系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、大功率DCDC變換器等系統(tǒng)的集成匹配。

2 整車基本參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)

車型應(yīng)用的目標(biāo)場(chǎng)景為單趟60 km，電網(wǎng)架線率80%以上大部分是高速公路，在網(wǎng)運(yùn)行最高車速不低于89 km/h，爬坡度20%，整車質(zhì)量49 000 kg，脫網(wǎng)運(yùn)行最高車速≥60 km/h。整車參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)分布如表1和表2所示。

3 動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)

整車動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)如圖1所示。其中動(dòng)力系統(tǒng)由儲(chǔ)能系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、DCDC變換器構(gòu)成；行駛模式上，車輛在網(wǎng)行駛時(shí)，主要由DCDC將線網(wǎng)高壓電轉(zhuǎn)化為電池電壓直接驅(qū)動(dòng)車輛，在極限條件下，可以由DCDC與儲(chǔ)能系統(tǒng)共同驅(qū)動(dòng)車輛；脫網(wǎng)時(shí)，由儲(chǔ)能系統(tǒng)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛；另外，儲(chǔ)能系統(tǒng)可由地面充電機(jī)進(jìn)行充電，也可經(jīng)大功率DCDC接受線網(wǎng)高壓進(jìn)行充電[3]。

4 驅(qū)動(dòng)總成需求

4.1 峰值功率計(jì)算

根據(jù)汽車?yán)碚?，分別計(jì)算加速時(shí)的最大功率[Pa]，最大爬坡度時(shí)的最大功率[Pc]，最高車速時(shí)的最大功率[Pv]，然后確定主驅(qū)系統(tǒng)最大功率[Pmax][4]。具體公式如下：

[Pa=vk3 600ησma+mgf+CdAv2k21.15]? ? ? ? ? ? ?（1）

[Pc=vi3 600ηmgfcos αmax+mgsinαmax+CdAv2i21.15]? ? ? ?（2）

[Pv=vmax3 600ηmgf+CdAv2max21.15]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

[Pmax=max（Pa，Pc，Pv）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中，[vk]為車速；[σ]為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；m為整車質(zhì)量；[a]為瞬時(shí)加速度；[f]為滾動(dòng)阻力系數(shù)；[Cd]為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；[vi]為爬坡車速；αmax為最大爬坡度；[vmax]為最高車速。

通過計(jì)算，[Pmax]至少為293 kW，額定功率至少為[Pmax]/1.8=163 kW以上。

4.2 峰值扭矩及峰值轉(zhuǎn)速計(jì)算

由汽車?yán)碚摽芍?，最大轉(zhuǎn)矩[Tmax]由最大爬坡度確定，計(jì)算公式如下：

[Tmax=1ηmg（fcosαmax+sinαmax）ri]? ? ? ? ? ? （5）

式中，r為滾動(dòng)半徑；i為主減速比。

最高轉(zhuǎn)速[nmax]由最高車速[vmax]確定：

[nmax=vmax×i/（0.377r）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

通過計(jì)算，[Tmax]不低于1 233 N·m，車速為89 km/h時(shí)，轉(zhuǎn)速[nmax]不低于2 400 r/min；考慮過載系數(shù)[5]、結(jié)合體系資源成熟度及競(jìng)品同類車型產(chǎn)品配置信息，最終選定的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率參數(shù)見表1?，F(xiàn)有電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)資源內(nèi)，選用電機(jī)的具體參數(shù)見表3。

表3 電機(jī)參數(shù)

[主要參數(shù) 直驅(qū)電機(jī) 峰值轉(zhuǎn)矩，N·m 2 500 峰值功率，kW 360 額定功率，kW 250 電壓范圍 250～720 V（額定650 V） 最高轉(zhuǎn)速，r/min 3 500 ]

5 儲(chǔ)能系統(tǒng)需求

針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)使用需求，輸入如下：

a.線網(wǎng)采用1 500 V直流，電壓波動(dòng)范圍為20%，經(jīng)DCDC降壓后給整車提供電源。

b.電氣化道路線網(wǎng)示范線單邊長(zhǎng)60 km，架網(wǎng)率不低于80%，純電動(dòng)續(xù)航里程需滿足要求。

c.脫網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，車速不低于60 km/h。

d.電制動(dòng)回收盡可能大，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量不高于100 kW·h。

e.整車在運(yùn)行過程中，儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC維持在80%左右，整車電壓約600 V。

5.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)容量計(jì)算

根據(jù)計(jì)算，整車放電功率需求計(jì)算如下：

a.在網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，車速89 km/h時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)持續(xù)輸出功率不低于215 kW，另加輔源DC/AC及DCDC，空調(diào)系統(tǒng)等放電功率約20 kW，合計(jì)整車持續(xù)最大輸出功率在235 kW，此時(shí)受電弓功率滿足驅(qū)動(dòng)功率需求[6]。

b.脫網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，車速以60 km/h計(jì)算，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)持續(xù)輸出功率不低于123 kW，另加輔源DC/AC及DCDC，空調(diào)系統(tǒng)等放電功率約20 kW，合計(jì)整車持續(xù)最大輸出功率在143 kW，假定整車電壓平臺(tái)約600 V，則電池持續(xù)放電電流約250 A。

c.以10 km/h最大設(shè)計(jì)爬坡度運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)峰值輸出功率不低于293 kW，另加輔源DC/AC及DCDC，空調(diào)系統(tǒng)等放電功率約20 kW，合計(jì)整車峰值輸出功率在320 kW，此時(shí)電池峰值放電電流約320 kW/600 V=530 A。

d.根據(jù)需求一次充電續(xù)航里程不低于60 km×20%=12 km，按前期批量總成實(shí)際運(yùn)營(yíng)不超過2 kW·h/km估算，放電截至SOC為12%，考慮5年衰減20%，冬季低溫衰減40%，則電池電量需匹配60 kwh以上即可。

綜上，儲(chǔ)能系統(tǒng)80%SOC時(shí)電壓為600 V左右，持續(xù)放電能力250 A以上，峰值放電電流約530 A以上，容量不低于60 kW·h可滿足要求。

在現(xiàn)有供應(yīng)商資源里，采用某電池廠商95 A·h產(chǎn)品，儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)如表4所示。

5.2 DCDC需求

大功率DCDC技術(shù)路線主要有兩種：一種為單向降壓型，即主要用于車輛在網(wǎng)運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛或給蓄電池補(bǔ)電；另一種為雙向型，在可以將線網(wǎng)高壓轉(zhuǎn)換為車輛儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓平臺(tái)的同時(shí)，也能將車輛制動(dòng)回饋電壓反饋給電網(wǎng)。現(xiàn)階段，由于目前電價(jià)低廉，回饋經(jīng)濟(jì)效益不明顯，與此同時(shí)整車能量回饋還對(duì)電網(wǎng)電壓有影響，故在技術(shù)方案上選擇單向DCDC。

車輛在網(wǎng)行車時(shí)，由于車輛峰值功率可同時(shí)由儲(chǔ)能系統(tǒng)及DCDC并聯(lián)輸出，故DCDC峰值功率指標(biāo)不用太高，而額定功率主要從整車實(shí)際持續(xù)功率需求，按整車滿載49 t，持續(xù)最高車速89 km/h計(jì)算，按整車功率曲線得整車持續(xù)功率約為215 kW，故車載DCDC額定功率不低于215 kW，考慮余量功率，DCDC額定功率滿載250 kW即可。

在現(xiàn)有供應(yīng)商資源里，采用某大功率DCDC廠商250 kW產(chǎn)品，部分參數(shù)如表5所示。

6 計(jì)算校核

6.1 整車動(dòng)力性分析

將儲(chǔ)能系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制總成參數(shù)代入仿真軟件，結(jié)果如圖3所示。由圖可知最大爬坡度為20%時(shí)，車速11 km/h，滿足設(shè)計(jì)要求；最大車速可達(dá)120 km/h，滿足最高車速90 km/h要求。

動(dòng)力性校核結(jié)論：仿真結(jié)果顯示動(dòng)力性指標(biāo)如表6所示滿足設(shè)計(jì)要求。

6.2 整車經(jīng)濟(jì)性校核

仿真數(shù)據(jù)在高速路上以60 km/h行駛，續(xù)航指標(biāo)如表7滿足要求。

7 結(jié)語

本文介紹一種電氣化公路車輛的動(dòng)力系統(tǒng)選型配置，與普通純電動(dòng)重卡不同的是，儲(chǔ)能系統(tǒng)選擇小電量高倍率的電池系統(tǒng)，并聯(lián)大功率DCDC，達(dá)到降低整車整備重量，降低整車成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)增大續(xù)航里程滿足長(zhǎng)距離行駛的需求；該車型動(dòng)力系統(tǒng)基于特定的應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合現(xiàn)有開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)結(jié)論進(jìn)行參數(shù)匹配及仿真模擬分析，對(duì)電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)的整車開發(fā)具有一定指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]李齊麗，劉杰，毛寧，等電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)技術(shù)方案探索[J]交通節(jié)能與環(huán)保，2022（2）：5-10

[2]鄭澤東，劉昊，李永東，等電氣化公路技術(shù)研究[J]中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2019（5）：132-141.

[3]馮啟飛，霍崇亞，邱勇，等面向電氣化公路的重卡模型研究[J]重型汽車，2023（1）：6-8.

[4]鞠濤某款純電動(dòng)商用車三電系統(tǒng)架構(gòu)及動(dòng)力性匹配[J]汽車工程師，2017（7）：18-20.

[5]張兆東電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)的研究[J]漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，8（2）：44-46.

[6]汪兆杰，梁繼國(guó)以受電弓為載體的電氣化公路技術(shù)研究[J]產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2019（15）：65-66.

作者簡(jiǎn)介：

汪帆，男，1989年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檎囯姎庀到y(tǒng)。