純電動城市客車動力系統參數匹配及仿真研究201346

1、純電動城市客車動力系統參數匹配及仿真研究 湯峰 邱靜(安徽交通職業(yè)技術學院汽車與機械工程系，安徽合肥 230051)摘要：在分析純電動城市客車的基本技術參數和設計要求，進行驅動系統結構型式以及驅動體統電機基礎選型，對驅動電機主要參數分析計算并確定選型，建立動力系統數學模型，通過仿真試驗驗證動力系統設計與電機選型方案的可行性。關鍵詞：純電動城市客車；動力系統；蓄電池；參數匹配；仿真A Study on the Parameters Matching and Simulation of Power System For Pure Electric City BusTang Feng Qiu Jin

2、g(Faculty of Machinery and Automobile Engineering， Anhui Communications Vocational and Technical College，Anhui Hefei，230051，China)Abstract:According to the analysis of the technical parameters and design requirements for pure electric city bus,Structure of the drive system and motor parameters are b

3、eing matched,Calculating and determining the main parameters of the drive motor, Establish mathematical model of the power system,To verify the feasibility of design about the power system and Motor selection through the simulation result.Keywords:Pure electric city bus;Power system;Battery;paramete

4、r matching;Simulation0 引言純電動城市客車具有零污染有害氣體排放、能量利用的效率高、廢棄熱量排放少、聲噪小、制動能回饋利用高等諸多方面的優(yōu)點，其在城市公交、大巴等公共交通領域具有極強的開發(fā)應用意義1。純電動城市客車動力系統的驅動電機、動力蓄電池的基礎選型在研究過程中往往是憑開發(fā)設計人員的經驗來確定，開發(fā)周期較長。通過對動力系統進行分析計算，并確定其參數，用仿真建模來驗證參數的合理性能夠大大的縮短研發(fā)周期2。1 整車基本參數要求與基礎選型根據實際純電動城市客車設計要求，整車基本參數要求如下表1所示。表1 整車技術參數要求整車參數最高車速80km/h軸數2驅動型式4×

5、;2后輪驅動輪胎規(guī)格275/70R22.5輪胎數6整備質量13800 kg最大總質量18000 kg外部尺寸參數車輛長12m車輛寬2.5m車輛高3.150m軸距6.1m輪距（前/后）2.096/1.840m前懸/后懸2.620/3.280m通過性參數最小轉彎直徑21.7m最小離地間隙()0.16m接近角7°離去角7°主減速比5.63 采用原有的公交車后橋，通過驅動電機直接連接將動力傳遞至到后橋，由驅動電機的無級變速功能實現整車的自動變速，省掉變速箱環(huán)節(jié)，降低了成本的同時并大大減少了整車故障率，并因此能夠縮短新車型的研發(fā)時間3。驅動系統結構形式如圖1所示。圖1 驅動系統結構形

6、式綜合考慮直流電機、交流異步電機、永磁電機、開關磁阻電機的優(yōu)點與可靠性，選用三相交流異步電機作為整車的動力源，選用磷酸鐵鋰電池作為車輛的儲能元件4。2電機主要參數的匹配2.1最高車速約束條件下的電機需求功率 綜合考慮純電動客車在城市工況下的行駛條件，50%以上時間是以50Km/h以下的車速行駛，電機功率的選擇應平衡于電機工作效率與期望最高車速的權重。根據客車設計經驗公式5：其中，單級減速主減速器；車輛滿載工況下G=18000Kg×9.8N/kg； 一般城市路面滾動阻力系數取f=0.020；最高車速；設車輛在平坦的路況下取i=0；空氣阻力系數取；迎風面積A=6；加速度。因此求得在滿載情

7、況下最高車速時車輛的需求功率110.9KW，考慮到電機過載能力以及城市工況下的實際車速應低于理論設計最大車速80km/h,實際選擇的電機功率取經驗參數0.9 ，則電機所需實際功率可選擇額定功率為100KW。當半載荷且最高車速時車輛的實際所需功率為104KW，0.9 ×=93.6KW，此時選取的電機額定功率滿足要求6。2.2起步加速時間約束條件下的電機需求功率根據汽車理論計算公式5：其中，旋轉質量系數取1.05；車輛的總質量(kg)，按設計參數取180000；期望起步加速時間在滿載加速時間從0-50km所需的時間取25s；相應電機基速下車速（m/s），設基速為950rpm,對應的車速8

8、.9m/s；車輛加速后的終速（m/s）13.89m/s,此時對應電機為1478rpm；一般城市里面工況下輪胎的滾動阻力系數取0.020；空氣密度取1.202kg/；滾動半徑r取0.505m。第一項表示用于加速車輛質量的功率；第二項和第三項分別表示克服輪胎滾動阻力和空氣阻力所需的平均功率。滿足加速時間的需求功率在不同的載荷下，求得滿載時137.6KW，半載時125KW。 選取100KW電機的過載能力系數為2.5，即短時間過載功率為額定功率的2.5倍，過載時間最大可為1min ，即在250KW功率下運行1min，因此選擇該款額定功率為100KW電機即可滿足要求。2.3爬坡度為15%時電機需求扭矩

9、設爬坡時速為=20km/h（此時電機轉速為591rpm）; =0； 求得，滿載時需求扭矩=2315N·M，滿載時需求扭矩=2123N·M。 因此選擇電機的最大扭矩為2400N·M，可以滿足要求。當為2400N·M且滿載時，爬坡度為12.5%當為2400N·M且半載時，爬坡度為13.8%2.4最高車速下電機需求扭矩當滿載時，其中=0; =0 448N·M此時電動機的轉速為2365rpm當半載時N·M 此時電動機的轉速為2365rpm因此車輛在最高車速時，電機扭矩需求為448N·M。2.5最高車速下電機的最大轉速由 ，

10、得到 =2365rpm，因此選擇電機的最大轉速為2400r/min，可以滿足要求。2.6額定功率下基速時，確定電機的額定轉矩 由 P= 可知T=1005N·M，其中，P=100KW，n=950rpm。 綜上所述，選擇電機的額定功率為100KW即電機P=100KW，峰值功率為250KW即Pmax=250KW，最大扭矩為2400N· M即T=2400N· M,最高轉速為2400rpm即n=2400rpm,電機扭矩需求420N·M即T=420N·M。在此基礎上得到驅動電機的特性曲線如圖2所示7。圖2 驅動電機特性曲線3 建立仿真模型使用AVL CRU

11、ISE與MATLAB Simlink兩款軟件進行聯合仿真。在CRUISE環(huán)境下設定各獨立模塊的參數，在MATLAB環(huán)境下寫入動力系統的控制策略，通過Matlab API接口相互通信，實現扭矩控制。建立仿真模型，主要使用的模塊有車輛總成、電池、電機、主減、差速器、制動器、車輪、駕駛室、能耗單元、與Matlab進行聯合仿真的接口以及監(jiān)視器8。在Cruise里搭建完成仿真模型后，根據整車技術參數表，將數據輸入仿真模型中，輸出電機的轉速-扭矩圖和轉速-扭矩-效率圖，如圖3，圖4所示。 圖3 電機的轉速-扭矩圖圖4 電機的轉速-扭矩-效率圖 如圖3所示，在電機轉速為975rmin時，進入恒扭矩與恒功率的

12、切換位置，其正、負區(qū)域的驅動與電機特性符合實際要求。圖4說明在高速小扭矩時電機效率快速進入高效區(qū)9。蓄電池模塊所模擬的是動力蓄電池組總容量與行駛中的電池容量變化情況，充、放電SOC線，如圖5、圖6所示。圖5 蓄電池模塊充電SOC線圖圖5 蓄電池模塊放電SOC線圖 駕駛室模塊主要包括踏板特性、制動力分配及換檔類型等，其踏板自身特性曲線如圖6所示。圖6 踏板自身特性曲線仿真數據輸出，最高車速、最大爬坡度、起步加速時間如圖7、圖8、圖9所示。圖7 最高車速仿真輸出界面圖8 最大爬坡度仿真輸出界面圖9 加速時間仿真結果輸出界面仿真結果分析，通過各仿真輸出數據，最高車速為86km/h大于理論設計最大車速

13、80km/h，最大爬坡度為17.6%大于國標中12%的爬坡度標準，0-50km起步加速時間為17.44秒優(yōu)于設計標準10。4 結語分析整車基本參數要求，進行驅動系統結構型式以及驅動體統電機基礎選型，對驅動電機主要參數分析計算并初步確定，對動力系統進行建模與仿真，驗證基礎選型數據的正確性，為純電動城市客車的后續(xù)開發(fā)提供了理論基礎，并為其它相關車型開發(fā)工作提供了動力系統基礎選型數據驗證工作。參考文獻1劉新田.基于有限元的汽車車架靜態(tài)分析J.上海工程技術大學學報，2007，6:112-116.2吳心平.純電動客車底盤結構參數匹配的研究J.汽車工程，2010,7:56-60.3廖發(fā)良.汽車動力性與經濟

14、性模擬計算分析J.公路與汽運,2010,7:1O-13.4魯莽,周小兵,張維.國內外電動汽車充電設施發(fā)展狀況研究J.華中電力,2010,5:162O.5余志生.汽車理論M第5版.北京:機械工業(yè)出版社,2009.6Changxian Cheng,Jianhua Yan.Advances in Electronic Engineering,Communication and Management Vo1.2M.Berlin：Springer,2012,289-294.7袁苑,錢立軍.基于CRUISE中型純電動客車動力匹配仿真J.農業(yè)裝備與車輛工程,2012,5:15-18.8王少凱.基于Cruise和Matlab的純電動客車聯合建模與仿真J.客車技術，2011,2：15-18.9Cychowski M，Szabat K，Orlowska-Kowalska TConstrained Model Predictive Control of the Drive System with Mechanical ElasticityJIEEE Transactions of Industrial Electron