田國富，馬書新，高 峰

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

純電動(dòng)客車動(dòng)力性匹配計(jì)算與仿真

田國富，馬書新，高 峰

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

為實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)客車的動(dòng)力性匹配計(jì)算，介紹了電動(dòng)客車整體布局和參數(shù),并建立了動(dòng)力總成數(shù)學(xué)模型。對(duì)電機(jī)進(jìn)行了合理的選擇和匹配計(jì)算,用MATLAB/Simulink模塊對(duì)客車動(dòng)力性能進(jìn)行仿真。計(jì)算和仿真結(jié)果滿足預(yù)期要求。

純電動(dòng)客車;動(dòng)力性；匹配計(jì)算；仿真

0 引言

環(huán)境污染和能源危機(jī)目前正備受關(guān)注，發(fā)展電動(dòng)汽車是緩解兩大問題的有效途徑[1]。隨著國家對(duì)研制電動(dòng)汽車投資補(bǔ)貼的力度加大，各高校企業(yè)對(duì)電動(dòng)汽車的研制也逐步增加。而制約電動(dòng)汽車發(fā)展的主要因素是動(dòng)力系統(tǒng)問題，也就是其續(xù)駛能力，所以，研究分析電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能十分重要。本文著重對(duì)某車型的動(dòng)力性能進(jìn)行了計(jì)算、建模、分析等過程，為后續(xù)研究提供幫助。

1 電動(dòng)客車動(dòng)力總成總體布局

圖1所示為本文研究純電動(dòng)客車動(dòng)力總成的總體布局。動(dòng)力系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的核心區(qū)別于傳統(tǒng)汽車在于其以電機(jī)為核心[2]。動(dòng)力系統(tǒng)的功能是把儲(chǔ)存在蓄電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)汽車行駛的機(jī)械能，并可以通過汽車減速實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。

圖1 動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)圖

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用是將電池中的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，由傳動(dòng)系統(tǒng)或者直接驅(qū)動(dòng)車輪，目前，隨著技術(shù)的發(fā)展，傳動(dòng)的電機(jī)逐步被無刷電動(dòng)機(jī)(BCDM)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)等取代[3]。本研究采用的是由北京佩特來電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為DDM110的水冷、永磁同步、外轉(zhuǎn)子、6相、雙繞組電動(dòng)機(jī)。

2 動(dòng)力性能評(píng)定指標(biāo)

電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能主要通過加速性能、爬坡性能、最高車速性能這三個(gè)要素來評(píng)定[4]。選用的電機(jī)功率應(yīng)該同時(shí)滿足汽車的最高車速、加速時(shí)間和爬坡性能的要求。

以最高車速對(duì)應(yīng)消耗的功率為：

(1)

式中，PV為電動(dòng)汽車以最高車速行駛消耗的功率，單位kW;ηt為傳動(dòng)效率；M為整車質(zhì)量，單位kg；Vmax為最高車速，單位km/h；fr為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；Af為迎風(fēng)面積，單位m2。

以某車速爬坡對(duì)應(yīng)消耗的功率為[5]：

(2)

式中，i為坡度，V為汽車行駛速度。

某車速在水平路面行駛消耗的功率為[6]：

(3)

電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)取三者中的最大值：

Pe=max{PV,Pi,Pj}

(4)

汽車加速度的計(jì)算公式為：

(5)

加速時(shí)間：

(6)

汽車爬坡時(shí)的形式方程為：

Ft=Fi+Fr+Fw

(7)

式中，F(xiàn)i為坡道阻力，F(xiàn)i=Mgsinα；Fr為滾動(dòng)阻力，F(xiàn)r=Mgfrcosα,α為坡道角度。

根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩可以計(jì)算汽車的驅(qū)動(dòng)力是否滿足三個(gè)指標(biāo)。

3 動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

3.1 整車受力分析

對(duì)整車進(jìn)行必要的受力分析，建立整車受力數(shù)學(xué)模型。電動(dòng)汽車在行駛過程中主要受滾動(dòng)阻力、空氣阻力、驅(qū)動(dòng)力、加速阻力以及坡道阻力等影響[7]。整車受力分析圖如圖2所示。

圖2 整車受力分析圖

圖2中，G為汽車重力；Ff為滾動(dòng)阻力；Fw為空氣阻力；Fj為空氣阻力；Fi為坡道阻力。

汽車的行駛方程為[8]：

Ft=Ff+Fw+Fj+Fi

(8)

3.2 電動(dòng)機(jī)模型

電機(jī)是電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件，將電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能供車輪運(yùn)轉(zhuǎn)，本研究采用的是由北京佩特來電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為DDM110的水冷、永磁同步、外轉(zhuǎn)子、6相、雙繞組電動(dòng)機(jī)。

圖3 永磁同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

此類永磁同步電機(jī)與其他交流電機(jī)相比，效率高、力矩慣量比高、能量密度高，是個(gè)環(huán)保低碳的電機(jī)。

該型電機(jī)的機(jī)械特性如圖3所示，當(dāng)采用矢量控制法在額定轉(zhuǎn)速以下恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，定子電流相位領(lǐng)先β角，增加了轉(zhuǎn)矩并產(chǎn)生弱磁作用，使額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)增高，增大了調(diào)速范圍。

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程式為：

(9)

3.3 變速箱模型

變速箱是連接電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)軸用來改變傳動(dòng)比的裝置，擴(kuò)大傳動(dòng)調(diào)節(jié)范圍，以滿足汽車在不同環(huán)境下的動(dòng)力需求，本研究采用機(jī)械變速器，空擋時(shí)斷開轉(zhuǎn)矩傳遞，掛擋時(shí)傳遞轉(zhuǎn)矩。

變速箱空擋時(shí)的數(shù)學(xué)模型為[9]:

(10)

變速箱掛擋時(shí)的數(shù)學(xué)模型為[10]：

(11)

式中，Tti為變速箱的輸入轉(zhuǎn)矩；Tto為變速箱的輸出轉(zhuǎn)矩；Tmo為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Jai為變速箱輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jao為變數(shù)箱輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jti為變數(shù)箱輸入轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jto為變數(shù)箱輸出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωti為變數(shù)箱輸入轉(zhuǎn)速；ωto為變數(shù)箱輸出轉(zhuǎn)速；ig為變數(shù)箱檔位傳動(dòng)比；ηt為變數(shù)箱傳動(dòng)效率；ωto1為空擋時(shí)變數(shù)箱輸入轉(zhuǎn)速；a′為汽車加速度。

4 動(dòng)力性能參數(shù)匹配計(jì)算與仿真

本研究參考BJ6123EVCA車型，主要參數(shù)如表1所示。

表1 整車技術(shù)參數(shù)

本研究采用的電機(jī)為北京佩特來電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為DDM110的水冷、永磁同步、外轉(zhuǎn)子、6相、雙繞組電動(dòng)機(jī)。其主要參數(shù)如表2所示。

表2 電機(jī)技術(shù)參數(shù)

在MATLAB/Simulink環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，圖4為動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型。

圖4 動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型

仿真結(jié)果如表4所示，由此可以看出，匹配計(jì)算和仿真結(jié)果滿足預(yù)期要求。

5 結(jié)論

針對(duì)電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能要求，對(duì)純電動(dòng)客車進(jìn)行動(dòng)

力性匹配計(jì)算。介紹了電動(dòng)客車整體布局和參數(shù),并建立了動(dòng)力總成數(shù)學(xué)模型。對(duì)電機(jī)進(jìn)行了合理的選擇和匹配計(jì)算,用MATLAB/Simulink模塊對(duì)客車動(dòng)力性能進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，汽車的動(dòng)力性能參數(shù)均符合預(yù)期要求。

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[2] 徐國凱，趙秀春，蘇航.電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)與控制[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

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Matching calculation and simulation of the power performance for an electric bus

Tian Guofu, Ma Shuxin, Gao Feng

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

The matching calculation of power performance for an electric bus is conducted. The overall layout and parameters of the bus are introduced，and the mathematical model of power assembly is established. The rational selection and matching calculation of motors are conducted, and the simulation of motors is conducted by MATLAB/Simulink. The results of calculation and simulation meet prospective requirements.

electric bus; power performance; matching calculation; simulation

U461.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.06.025

田國富，馬書新，高峰. 純電動(dòng)客車動(dòng)力性匹配計(jì)算與仿真[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(6)：84-85,88.

2016-09-22)

田國富(1968-)，男，博士，教授，主要研究方向：車輛工程。

馬書新(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：車輛工程。

高峰(1989-)，男，博士研究生，主要研究方向：模式識(shí)別與人工智能。