郝定坤

(西安方元能源工程有限責任公司，陜西 西安 710201)

隨著有限燃料能源的過度使用以及過度依賴，所帶來的環(huán)境污染是亟需解決的世界性難題。燃油汽車的改制能夠緩解這一問題的惡化，燃油汽車的改制就是對現(xiàn)有的內(nèi)燃機汽車的動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等做出相應的改變，使內(nèi)燃機部分或者完全變?yōu)榧冸妱悠嚕来蝸斫档湍茉聪暮铜h(huán)境污染。純電動汽車與內(nèi)燃機汽車不同，其是以蓄電池或電容器為動力源驅(qū)動電機使車輛行駛，因而無需消耗化石能源。面對節(jié)能環(huán)保的要求，電動汽車逐漸成為研究熱點，其具有低污染、低能耗、能量利用效率高等優(yōu)點，使其在環(huán)境保護和能源可持續(xù)利用等方面具有明顯的優(yōu)勢［1－4］。

在燃油汽車改裝技術革新方面，不同研究人員提出了不同的改裝方案，張衛(wèi)剛等［5］為了分析燃油汽車與純電動汽車之間的異同，試探性地將一輛輕型客車改制成純電動試驗車來探索研究純電動汽車的設計方法和相關關鍵技術。王芳［6］通過對比分析不同電動機的工作特性，將永磁直流電動機作為動力源，并對電動機的控制策略進行了研究。此外，對電動汽車的電機及傳動系的布置及設計給出了改進方案。錢立軍［7］主要對電動汽車的幾種動力驅(qū)動方案進行了闡述，分析了純電動汽車的動力分配以及電機控制策略，并給出了突破制約電動汽車改制的車身和底盤技術路線。上述汽車改裝技術都是試探性的將燃油汽車改制成純電動汽車，均建立在理論研究層面上，未對改制后的電動汽車進行相應的參數(shù)匹配以及動力學仿真分析。為此，本文借助汽車專業(yè)仿真軟件Advisor 對改裝后的純電動試驗車的續(xù)駛里程、最高車速、加速性能和爬坡等性能做了相關分析，仿真結果顯示，改制后的電動汽車的性能可以滿足設計要求和使用條件。

1 純電動汽車的基本結構

電動汽車的車身、底盤和電器設備與傳統(tǒng)汽車并無太大差異，因此電力驅(qū)動控制系統(tǒng)才是電動汽車區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的關鍵，其性能也決定著電動汽車的整體性能。純電動汽車的基本結構可劃分為電源系統(tǒng)、電力驅(qū)動控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)3 部分［8］，如圖1 所示。

圖1 電動汽車的基本組成結構

2 整車參數(shù)及性能要求

2.1 整車參數(shù)

整車參數(shù)對車輛的性能影響較大，本車的整車參數(shù)如表1 所示。

表1 整車參數(shù)

2.2 性能指標

根據(jù)電動汽車國家標準，提出電動汽車動力性評價指標，如表2 所示。

表2 純電動客車性能指標

3 電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

3.1 電機參數(shù)匹配設計

純電動汽車的電機選擇必須能滿足整車動力性要求［9］，以滿足純電動汽車在各種工況下行駛時的動力需求。

(1)驅(qū)動電機額定功率的選擇。

1)根據(jù)最高車速確定。根據(jù)汽車行駛功率平衡方程所確定的功率為

式中，G 為整車重力;f 為滾動阻力系數(shù);μamax為最高行駛車速;CD為迎風阻力系數(shù);A 為迎風面積;ηt為傳動系總效率。

2)根據(jù)最大爬坡度確定

其中，α=arctani，i 為坡度。此時汽車正在以較低的速度爬坡，該坡度為汽車所能爬的最大坡度。

3)根據(jù)加速性能確定。汽車的加速行駛時所需的功率為

其中，δ 表示旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的換算系數(shù)，在此δ=1.04。綜上可得額定功率為

式中，λ 為電機過載系數(shù)。

(2)驅(qū)動電機峰值功率的選擇。由于驅(qū)動電機的過載系數(shù)較高，峰值功率通常是額定功率的3 倍以上［10］，但電機不能長時間工作在最大功率狀態(tài)下。由式(4)可得峰值功率為

3.2 傳動系統(tǒng)參數(shù)設計

由于電動汽車電機本身的轉(zhuǎn)矩范圍較窄，因此難以滿足在不同的工況下的轉(zhuǎn)矩要求［11］。通過選擇合適傳動比的變速器可較好地解決這一問題，同時還使得電機在高效率范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)，有利于減輕電機和電源的負荷，減少功率損失。

(1)傳動系速比的上限。當汽車的車速達到最大時，電機轉(zhuǎn)速也需要達到最大值，可以得到傳動比上限［12］為

(2)傳動系速比的下限。當汽車行駛在最大爬坡度上時需要電機以最大扭矩工作，此時可得傳動系速比的下限［13］為

其中，F(xiàn)imax為最大行駛阻力;Tmax為電機最大輸出扭矩。

3.3 蓄電池組參數(shù)匹配設計

蓄電池組是純電動汽車的能量源，其功率和電壓需要適應電機的要求，蓄電池的容量還需要滿足續(xù)駛里程的要求。

(1)機最大功率確定蓄電池組的數(shù)量。電動汽車運行過程中，蓄電池可提供的功率必須能夠滿足電機峰值功率的要求［14］。單個蓄電池的最大功率為

式中，E 為電池單體的電動勢;Rint為等效內(nèi)阻。

蓄電池的數(shù)量為

式中，Pbmax為單體電池能夠達到的最大功率，當電機達到最大功率時，ηe表示工作效率;ηec為電機控制器的工作效率。

(2)根據(jù)續(xù)駛里程確定蓄電池組的數(shù)量。已知車輛的續(xù)駛里程為100 km，所需總能量為

式中，Wess為所需總能量;Uess為蓄電池組的電壓;C 為單個電池組的所容納的能量;n 為電池數(shù)量;We為單個電池組額定能量。

電動汽車勻速行駛所消耗的能量為

式中，ua為速度，行程為S。其中

由于純電動汽車行駛所需要的能量全部由蓄電池組提供，因此蓄電池組的能量不得小于車輛行駛過程中所消耗的能量，鉛酸蓄電池的SOC 一般介于0.3 ～0.8 之間，放電深度為80%，所以可得

蓄電池的數(shù)量

式中，ξsoc是電池在放電時的放電深度，其亦可表征該蓄電池在生命周期不同階段的性能。

根據(jù)式(9)～式(15)可確定蓄電池組數(shù)量為

4 電動汽車動力系統(tǒng)選型

4.1 電機參數(shù)的選擇

根據(jù)功率平衡方程式(1)，若要使車輛滿足uamax=70 km/h，則驅(qū)動電機至少應滿足額定功率Pel=33.2 kW。車輛所要求的最大爬坡度為20%，由爬坡時的功率平衡方程式(2)，當車輛以ua=15 km/h 爬坡時，電機達到Pmi=52.3 kW。

車輛起步加速時，由車輛加速過程的功率平衡方程式，可得到驅(qū)動電機所需功率與加速時間的關系曲線，如圖2 所示。由曲線可知，起步加速時間越短，所需電機的功率就越大，當電機的最大功率為60.84 kW時，即可滿足車輛加速性能的要求。

圖2 車輛起步時加速時間—功率曲線

4.2 傳動系統(tǒng)參數(shù)的選擇

為了簡化傳動系統(tǒng)的設計，本文選用原車主減速器和變速器作為傳動變速機構，然后根據(jù)所選電機和整車性能要求，對原車傳動系統(tǒng)的傳動比進行檢驗校核。

(1)傳動系統(tǒng)中主減速器傳動比的確定。變速器的4 擋為直接擋即ig4=1，為滿足最高車速的要求，由式(6)和式(7)可得i0≤7.928，主減速器的傳動比為i0=6.17 符合要求。

(2)傳動系統(tǒng)中變速器傳動比的確定。變速器的最大傳動比應滿足最大爬坡度的要求，根據(jù)式(8)可以求出ig1≥2.496，所選變速器的一檔傳動比ig1=5.568，符合要求。

表3 傳動系統(tǒng)參數(shù)

4.3 蓄電池參數(shù)的選擇

考慮到制造成本以及各種蓄電池性能的優(yōu)劣，選擇鉛酸蓄電池作為能量源［15］。擬選用淄博明泰電器科技有限公司生產(chǎn)的6－DG－120A 型鉛酸蓄電池，其參數(shù)如表4 所示。

表4 蓄電池參數(shù)

考慮到電機的峰值功率，由式(9)求出單個蓄電池的最大輸出功率為2.832 kW，進而由式(10)得到蓄電池組的數(shù)量n=21.19，取整得22。考慮到續(xù)駛里程，根據(jù)式(15)可得，當車輛以平均速度行駛完100 km 時，需要23.02 塊蓄電池，即所需塊數(shù)為24。綜上所述，比較兩種情況下所需蓄電池組數(shù)量后，取較大值24 作為電池數(shù)量。

5 整車性能仿真及結果分析

Advisor 作為Mathworks 公司基于Matlab/Simulink 開發(fā)的汽車仿真軟件，有著廣泛的應用，用戶可使用該軟件提供的車輛結構的基本模型對車輛進行建模［16］。此外根據(jù)所研究的后輪驅(qū)動純中型客車相關動力系統(tǒng)參數(shù)，在Advisor 整車模型上進行了二次開發(fā)，從而建立起后驅(qū)電動汽車整車和相關模塊的模型，如圖3 ～圖5 所示。

圖3 整車仿真模型

圖4 車身仿真模型

圖5 電機仿真模型

5.1 動力性能仿真

整車設計對動力性能指標提出了要求，因此需要對動力性各指標進行仿真，得到當汽車在加速行駛過程中其速度變化曲線，再根據(jù)速度變化得到車輛加速度。該車Vmax=78.5 km/h，能夠滿足動力性能指標中最高車速設計要求;起步時從靜止加速到30 km/h 所用時間為7.9 s，從靜止加速到50 km/h 所用時間為19 s，能夠滿足加速性能設計要求;車輛在15 km/h 車速下能夠達到的坡度為22%，可達到動力性能指標中最大爬坡度設計要求。

5.2 典型工況仿真

為了使仿真能夠真實地反映汽車在不同運行環(huán)境下車輛各部分的性能狀態(tài)，需要考慮到實際運行過程中頻繁的加速、減速、怠速和停車等狀況。因此本文選擇國際上比較準確的(美國城市工況)與(歐洲城市工況)作為復合仿真工況，在復合工況下對純電動中型客車的性能進行仿真試驗，能夠很好地反應出純電動中型客車在市區(qū)道路和城郊道路上的運行狀況。

(1)圖6 為車輛仿真模型在下得到的仿真結果。

圖6 UDDS 下車速變化曲線

圖7 UDDS 下SOC 值變化曲線

圖8 UDDS 工況下行駛距離變化曲線

(2)圖9 ～圖11 為車輛仿真模型在CYC_ECE_EUDC 下得到的仿真結果。

圖9 ECE_EUDC 下車速變化曲線

圖10 ECE_EUDC 下SOC 值變化曲線

圖11 ECE_EUDC 下行駛距離變化曲線

通過以上兩種典型工況的仿真結果可得到車輛的實際運行狀況、電池SOC 變化和電機的運行狀況。從圖中可看出，除了最高車速局部不滿足要求之外，其他部分均能符合要求。圖7 和圖11 中，蓄電池SOC 值整體變化比較平穩(wěn)，加速階段下降明顯，曲線上升段為制動能量回收狀態(tài)，此時電機回饋發(fā)電。由以上分析可知，純電動中型客車動力系統(tǒng)的匹配參數(shù)均能較好地滿足行駛工況的要求。整個過程中車輛運行、蓄電池荷電狀態(tài)變化平穩(wěn)，電機在合理的范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)，提供車輛所需要的功率和扭矩，為后續(xù)整車道路試驗提供了數(shù)據(jù)參考。

5.3 續(xù)駛里程仿真

續(xù)駛里程仿真結果如圖12 所示，車速曲線、SOC值變化曲線和行駛距離變化曲線。

圖12 車輛在40 km/h 速度下勻速行駛時續(xù)駛里程的仿真結果

由仿真結果可知:純電動汽車在載重750 kg、速度為40 km/h 時，續(xù)駛里程能夠超過100 km，能夠滿足純電動中型客車經(jīng)濟性設計要求。

6 結束語

純電動汽車能有效緩解汽車工業(yè)對燃油的依賴，是降低尾氣污染的有效手段，而現(xiàn)有的車輛改制技術缺乏相應的參數(shù)匹配及動力學仿真分析，難以獲取最優(yōu)的動力控制策略。因此，本文以“LS6600C1”型普通中型客車改裝的純電動試驗車為研究對象，對動力系統(tǒng)進行參數(shù)匹配設計，并利用電動汽車仿真軟件Advisor 建立相應的純電動汽車動力系統(tǒng)及整車的仿真模型，對整車模型的最高車速、加速能力、爬坡性能和續(xù)駛里程等指標進行了仿真研究。結果表明，改裝后的純電動試驗車續(xù)駛里程、最高車速、加速性能和爬坡性能等均滿足普通中型客車的運行要求和使用條件。

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