楊　陽，李耀華，劉　鵬(. 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院， 陜西 咸陽　7000；.長安大學(xué)汽車學(xué)院， 陜西 西安　70064)

汽車行駛工況對汽車的經(jīng)濟性分析、動力系統(tǒng)參數(shù)匹配、排放檢測及控制策略優(yōu)化具有重要作用，是汽車行業(yè)的一項共性基礎(chǔ)技術(shù)[1]。由于我國幅員遼闊，各地區(qū)的行駛工況與當(dāng)?shù)氐慕煌顩r有著密切關(guān)系，一個地區(qū)的典型循環(huán)行駛工況能夠較準確地反映車輛在行駛中的實際行駛工況。

純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)的合理配置直接影響著車輛的整體性能水平。目前，純電動汽車根據(jù)不同的目標和要求進行參數(shù)匹配，主要分為以下幾類：以動力性為主要匹配和優(yōu)化目標，針對某一總成部件進行以經(jīng)濟性為主要目標的優(yōu)化匹配，從整車需求角度進行動力系統(tǒng)參數(shù)的綜合優(yōu)化[2]。根據(jù)車輛行駛特點中具有代表行駛特性的主要參數(shù)(最大速度、最大加速度、最大減速度、平均加速度、平均減速度參數(shù)等)進行純電動城市客車的動力系統(tǒng)匹配。

本文利用試驗器材Race-Technology真實記錄車輛行駛工況中的特征參數(shù)，進行大量的路線數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，構(gòu)建了具有一定代表意義的純電動城市客車的循環(huán)行駛工況[3]。

目前，許多城市循環(huán)行駛工況主要由加速、減速和低速下的怠速組成。已經(jīng)構(gòu)建的城市循環(huán)工況數(shù)據(jù)采集以及傳統(tǒng)汽車都不能真實反映電動汽車的加速性能；因此，有必要構(gòu)建電動汽車循環(huán)行駛工況，并對電動汽車在實際行駛過程中的性能做出有效評價[4]。

1　構(gòu)建循環(huán)行駛工況

本文主要以西安市城市客車為研究對象采集行駛參數(shù)，滿足公交車適合單一地區(qū)區(qū)域運營的需要，基于公交車行駛路線固定的特點，建立基于固定線路的車輛行駛工況，為純電動公共交通車輛的動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計優(yōu)化奠定基礎(chǔ)[5]。

1.1　參數(shù)采集儀器

利用試驗器材Race-Technology采集車輛行駛過程中的主要行駛特征參數(shù)是構(gòu)建循環(huán)行駛工況的數(shù)據(jù)來源。根據(jù)西安市區(qū)域交通特征，其覆蓋路網(wǎng)主要為水平道路，所以數(shù)據(jù)采集儀的坡度設(shè)置不必進行從新設(shè)置[6]。

試驗器材Race-Technology是用來記錄車輛行駛過程中的特征參數(shù)瞬時速度、瞬時加速度、瞬時間速度、行駛里程時間關(guān)系以及三維坐標等相關(guān)數(shù)據(jù)，儀器包括GPS位置采集器、數(shù)據(jù)存儲卡、電池等，如圖1所示。

圖1　試驗儀器

西安市高新區(qū)目前運營的純電動公交路線主要以12 m的BYD-K9純電動公交車為主，本文選取此車作為試驗車輛，采集所需的各項數(shù)據(jù)，試驗車輛如圖2所示。

圖2　試驗車輛

1.2　車輛行駛參數(shù)采集

道路試驗是根據(jù)固定的公交線路采集試驗數(shù)據(jù)，選取的公交車輛在正常的行駛狀況下，并且乘客在每個公交站點自由上下。在采集試驗數(shù)據(jù)的時候，采集儀器的磁塊GPS須正向垂直放置于車頂上面用于接收位置信息。車輛啟動時開始采集數(shù)據(jù)，車輛行駛到起始站時停止采集。儀器的采集數(shù)據(jù)頻率為100 Hz，其記錄的主要參數(shù)有車輛橫向、縱向、垂直方向的加速度，車輛行駛時間、瞬時車速、行駛瞬時加速度、行駛里程、位置信息等相關(guān)參數(shù)。試驗采集數(shù)據(jù)車輛須往返4次，采集數(shù)據(jù)主要集中在早、中、晚，基本包含了車流量的高峰時段與低峰時段。

因此，道路采集數(shù)據(jù)試驗可以實時、準確、快捷地采集到大量相關(guān)有效車輛行駛數(shù)據(jù)，包括行駛車輛瞬時行駛的速度數(shù)據(jù)和車輛試驗道路特征參數(shù)等，這些數(shù)據(jù)為研究構(gòu)建循環(huán)行駛工況的數(shù)據(jù)。

1.3　循環(huán)工況的構(gòu)建

根據(jù)不同的行駛狀況和交通條件，車輛的循環(huán)行駛工況構(gòu)建目前主要基于以下幾種方法：短行程分析法、定步長截取法、速度加速度矩陣分析法和馬爾科夫方法。車輛行駛工況的開發(fā)過程中引入主成分分析法進行交通特征分析，使得反映道路交通特征的車速、加速度等多個短行程特征值都得到考慮的同時又簡化了所分析的問題[7]。

本文通過對以上行駛工況構(gòu)建方法的研究，最終選取短行程分析法作為循環(huán)行駛工況構(gòu)建方法[8]。

短行程分析法的具體構(gòu)建流程如下：

1)利用數(shù)據(jù)采集儀Race-Technology采集車輛行駛過程中的實時數(shù)據(jù)；

2)利用MATLAB編程進行站點運動區(qū)間的分割，獲得短行程片段；

3)利用MATLAB編程計算提取短行程特征參數(shù)值；

4)采用統(tǒng)計分析軟件SPSS對分割的眾多短行程片段進行主成分分析和聚類分析，對短行程片段提取特征參數(shù)中的主成分及貢獻率實現(xiàn)降維處理，其次對具有代表性的低、中、高速行駛片段進行聚類；

5)根據(jù)不同短行程片段的數(shù)據(jù)、特征和各類片段在總體中所占比例，提取并重新合成滿足目標工況長度要求的短行程片段，構(gòu)建典型循環(huán)工況。短行程瞬態(tài)工況構(gòu)建流程如圖3所示。

圖3　短行程瞬態(tài)工況構(gòu)建流程圖

根據(jù)以上方法處理后的數(shù)據(jù)合成西安市市區(qū)城市客車行駛工況如圖4所示。

圖4　西安市市區(qū)城市客車行駛工況(XATD-HBUS)

2　純電動城市客車動力系統(tǒng)匹配

電動汽車的動力系統(tǒng)主要由驅(qū)動電機、動力電池、傳動系統(tǒng)3個模塊組成。提高行駛里程和降低開發(fā)成本，則需要對動力系統(tǒng)的參數(shù)進行合理的匹配。現(xiàn)階段，為增加電動汽車的續(xù)航里程、提高動力性能，動力電池和其他關(guān)鍵技術(shù)已有了重大突破，針對電動汽車動力系統(tǒng)各模塊的參數(shù)合理匹配研究是目前急需解決的關(guān)鍵技術(shù)[9]。

目前市場運營的BYD-K9的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　BYD-K9基本參數(shù)

2.1　驅(qū)動電機參數(shù)的選擇

2.1.1驅(qū)動電機類型的選擇

驅(qū)動電機主要有以下幾種類型：有換向器的直流電動機、無換向器的感應(yīng)電動機、永磁電機、開關(guān)磁阻電動機。由于永磁無刷電機系統(tǒng)具有較高的效率與轉(zhuǎn)矩慣量比，同時在電動汽車上逐漸被廣泛應(yīng)用；因此本文選取永磁式同步電機。

2.1.2驅(qū)動電機最大功率和額定功率的選擇

由整車行駛時的動力性指標最高車速、最大爬坡度和加速時間可知，電動機參數(shù)的匹配選擇必須滿足上述動力性指標的每一項要求，即最大功率

Pmax≥max(Pmax1,Pmax2,Pmax3)。

不計坡道阻力時，最高車速下所需求的動力系統(tǒng)的最大功率為

式中：m為整車整備質(zhì)量；f為滾動阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積。

以最低通過車速行駛在某一坡度路面時，動力系統(tǒng)的最大功率需求為

電動汽車起步加速過程可根據(jù)經(jīng)驗公式表示為

式中：x為擬合系數(shù)，通常取 0.5 左右；vm和tm分別為車輛的末速度和加速時間。

一般情況下考慮汽車在水平路面上加速，由汽車加速時的動力學(xué)方程可知，其瞬態(tài)過程總功率為

式中：δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.06；dt為根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗選取的迭代步長，通常選取步長為0.1 s。

汽車在加速行駛過程的末時刻，電機輸出最大功率

根據(jù)車輛循環(huán)行駛工況的特征參數(shù)，將車輛參數(shù)帶入公式求取滿足行駛過程中的驅(qū)動電機的最大功率。綜合考慮汽車行駛時的動力性要求，確定電動機最大功率

Pmax=max(Pmax1,Pmax2,Pmax3)=155.25 kW。

確定電機的最大功率取整為Pmax=160 kW。

在確定驅(qū)動電機的額定功率時，必須滿足車輛行駛最高車速的最大功率，即額定功率

P額≥54.49 kW。

式中：λ為電機過載系數(shù) (電機過載系數(shù)λ一般取 2～3)。

根據(jù)以上綜合考慮，本文選取的電機額定功率為55 kW。

2.1.3驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩的確定

驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)矩根據(jù)電機額定功率與額定轉(zhuǎn)速計算確定，其計算式為

則電動機的最大轉(zhuǎn)矩Tmax=λT。

本文選取λ=2時，計算出的電機最大轉(zhuǎn)矩Tmax=300.14 Nm。

2.1.4驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的選擇

電機恒功率區(qū)系數(shù)β即為驅(qū)動電動機的最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之比,系數(shù)β對于電機在低轉(zhuǎn)速區(qū)的轉(zhuǎn)矩有較大影響，系數(shù)β越大在低轉(zhuǎn)速區(qū)可獲得較大的轉(zhuǎn)矩，系數(shù)越小在低轉(zhuǎn)速區(qū)的轉(zhuǎn)矩較小。根據(jù)理想的電機特性曲線得知，恒功率區(qū)系數(shù)β的合理選取對車輛的動力性有一定的影響；但系數(shù)β越大電機的工作電流就越大，也會造成逆變器功率的損耗和尺寸的增大[10]，一般取值2～4。本文綜合考慮選取系數(shù)為2，控制電機的額定轉(zhuǎn)速在2 250～4 500 r/min之間。

2.2　驅(qū)動電動機額定電壓的選擇

在對純電動汽車驅(qū)動電機的額定電壓參數(shù)選取時須考慮動力電池組的電壓大小。由于功率的大小等于電壓與電流之積，在輸出功率一定時，對于電路中導(dǎo)線安全性考慮，適當(dāng)增大電池組電壓則可以減小電流，反之電壓越小電流越大，較大的電壓對電路中的連接導(dǎo)線及開關(guān)等元件要求相應(yīng)降低；但是電壓增大，需要串聯(lián)的電池數(shù)量也需要增加，從而對整車的質(zhì)量、動力性及成本都有一定影響[11]。

綜合考慮上述情況下，確定驅(qū)動電機的額定電壓為200～350 V，最終選取確定驅(qū)動電機的額定電壓為336 V。

2.3　驅(qū)動電動機參數(shù)的確定

綜合以上計算結(jié)果和分析，本文選取的電機具體參數(shù)如表2所示。

表2　驅(qū)動電動機參數(shù)

考慮單個電機質(zhì)量、峰值功率過大，目前中國市場生產(chǎn)的商用車驅(qū)動電機還不能滿足其性能要求，其次，由于BYD-K9采用的是輪邊電機驅(qū)動的形式，無變速器傳動軸等，所以在仿真對比的過程中無法與BYD-K9形成鮮明的對比結(jié)果；因此，采用與BYD-K9同樣的動力傳遞布置方式，雙電機驅(qū)動下的最終電機具體參數(shù)如表3所示。

表3　驅(qū)動電動機參數(shù)

2.4　輪邊減速器速比的選取

行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)緊湊，其減速比大，作為輪邊驅(qū)動減速器是比較理想的選擇，并且目前就國內(nèi)外的技術(shù)水平，對機械減速器形式的可行性研究綜合考慮，行星齒輪減速器被普遍認為具有良好的性能。

有行星齒輪機構(gòu)的一般運動規(guī)律的特性方程為

n1+an3-(1+a)n4=0。

式中a為從動輪與主動輪的齒數(shù)比。

可以求出這3種結(jié)構(gòu)方案的輪邊減速器速比i13:

當(dāng)太陽輪為主動件，行星齒輪架為從動件，而齒圈固定時，

當(dāng)齒圈為主動件，行星齒輪架為從動件，而太陽輪固定時，

當(dāng)太陽輪為主動件，齒圈為從動件，而行星齒輪架固定時，

式中：n1、n3、n4分別為太陽輪、齒圈、行星輪架的轉(zhuǎn)速；z1、z3為太陽輪、齒圈的齒數(shù)。

根據(jù)汽車的傳動特點，對于減速器的位置布置和合理的離地間隙應(yīng)給予考慮。本文采用齒圈為主動件，行星齒輪架為從動件，太陽輪固定。

在滿足轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩的條件下，盡可能減小減速器的體積，方便布置，所以文中選取太陽輪、齒圈的齒數(shù)z1、z3分別為107和17(圓柱形齒輪齒數(shù)選取大于等于17，齒數(shù)嚙合最好選取互為質(zhì)數(shù)原則)。

根據(jù)上面選取參數(shù)，最終確定減速器速比6.29。

2.5　動力電池的參數(shù)匹配

為了滿足整車行駛的動力性與續(xù)航里程的要求，對于電動汽車的動力電池系統(tǒng)的能量密度和功率密度都有較高的要求；其次應(yīng)保證選取的電池組系統(tǒng)具有多次循環(huán)充放電后對電池整體的充放電特性影響不大；最后電池組應(yīng)具有性價比高、放電穩(wěn)定、免維護等特點。

2.5.1動力電池類型的選擇

動力電池類型的選擇應(yīng)綜合考慮不同類型電池的充、放電特性和其抗撞擊安全特性來選取。近年來，鋰離子電池的優(yōu)越性能得到了廣泛的認可，其具有良好的安全性能；因此，選取鋰離子電池組作為純電動汽車的動力源，根據(jù)以上要求綜合考慮選取磷酸鐵鋰電池。

2.5.2電池組電壓的選擇

對于電池組電壓的選取，首先應(yīng)保證與電機額定電壓相同，同時要滿足在行駛過程中電機電壓的不斷變化；其次應(yīng)考慮車輛在行駛過程中車載用電設(shè)備，所以確定電池組總電壓應(yīng)稍微大于電機的額定電壓；最后為了避免影響車輛行駛里程由于電池低電壓太早。綜合考慮以上要求確定電池組電壓為336 V。

2.5.3電池組能量的選擇

在選取電池組能量時，主要根據(jù)純電動汽車的續(xù)航里程、單體電池組規(guī)格來確定。隨著車輛的續(xù)航里程的增大，電池組能量則相應(yīng)的增大，電池組的體積、質(zhì)量對整車的空間布置和裝備質(zhì)量都會造成影響。純電動車輛的續(xù)航里程主要根據(jù)車輛行駛的工況或者恒速行駛耗能法測定。

本文的電池系統(tǒng)采用磷酸鐵鋰電池組(單個電池規(guī)格為3.2 V/200 Ah)作為純電動汽車的動力蓄電池。本文根據(jù)恒速測定法假設(shè)車輛一次充滿電時以va=25 km/h車速均速行駛的續(xù)駛里程不小于240 km，則其所需的功率可由下式計算：

經(jīng)計算：P1=20.42 kW。

考慮車輛在行駛過程中的其他用電設(shè)備電能消耗，根據(jù)車輛行駛的里程與車載用電設(shè)備的功率大小，設(shè)定車輛行駛時車載用電設(shè)備開啟消耗0.9 kW，則整個行駛工況消耗功率P2為21.32 kW。

根據(jù)理論計算車輛行駛里程S=240 km所需的電能為

W=P2·t=P2·(S÷va)=204.67 kWh。

根據(jù)行駛里程數(shù)和所需能量的要求選取電池的個數(shù)，計算公式如下：

W=n·η·u·C/1 000。

式中：n為電池個數(shù)；η為電池在放電過程中不能超過自身總電量的 80%，取 0.8；u為單個電池的電壓，3.2 V；C為單個電池的容量，200 Ah。

根據(jù)計算得出所需電池數(shù)n為400.39，取整得n=400。由修正后的電池數(shù)得出車輛行駛里程S=240 km所需的電能W=205 kWh。

因此，本文選用單體電壓為3.2 V、電池容量為200 Ah的單只磷酸鐵鋰電池400只。

由于n=400單體電池串聯(lián)，總電壓為1 280 V，對于安全防護保護措施要求極高；故選取串-并連的方式，105串4并的方式使總電壓保持在336 V左右。

3　基于循環(huán)工況的參數(shù)匹配車輛仿真

3.1　整車仿真模型的搭建

利用軟件中的模塊搭建模型，并對各個模塊中的仿真參數(shù)根據(jù)之前匹配的動力系參數(shù)錄入，搭建整車模型，BYD-K9布置結(jié)構(gòu)同雙電機模型，如圖5所示。

圖5　仿真車輛模塊搭建

3.2　動力性理論計算結(jié)果

牽引力與轉(zhuǎn)矩的計算公式為

而轉(zhuǎn)速與車速的計算公式為：

車輛在行駛過程中以變加速行駛，理論計算是以最大加速度勻加速行駛，加速度計算公式如下：

基于汽車恒功率區(qū)工作，根據(jù)公式得到汽車的最高車速ua=67.05 km/h。

最大爬坡度計算依據(jù)汽車行駛過程中的最大轉(zhuǎn)矩和忽略空氣阻力計算得最大爬坡度為19%。根據(jù)公式得汽車的理論最大加速度為2.03 m/s2。

3.3　動力性仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6　匹配車輛動力性仿真結(jié)果

圖7　BYD-K9動力性仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，起步加速階段電機以最大轉(zhuǎn)矩輸出，完成起步加速后在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)工作，如圖所示匹配車輛行駛過程中的最大加速度為2.59 m/s2，BYD-K9行駛過程中的最大加速度為2.96 m/s2。

車輛的最大爬坡度指車輛在行駛過程中以原地起步(半坡停車起步)或者以較低車速上坡時汽車在良好路面上的最大爬坡度。根據(jù)圖8和圖9得出匹配車輛及BYD-K9的最大爬坡度如表4所示。

圖8　匹配車輛的最大爬坡度

圖9　BYD-K9的最大爬坡度

表4　車輛的最大爬坡度

3.4　經(jīng)濟性仿真結(jié)果

本文基于理論匹配后的車輛模型與高新區(qū)運營的BYD-K9在構(gòu)建的循環(huán)工況下進行仿真驗證，目的在于說明匹配優(yōu)化后的電動車電能消耗明顯小于BYD-K9純電動城市客車，在動力性方面雖比BYD-K9純電動公交車動力性稍差，但滿足高新區(qū)行駛要求。

3.4.1循環(huán)工況圖導(dǎo)入

利用仿真軟件自帶的循環(huán)工況表格格式Table editor對應(yīng)的修改填入在構(gòu)建西安市市區(qū)城市客車行駛工況(XATD-HBUS)時的數(shù)據(jù)，修改后的數(shù)據(jù)如圖10所示[12]。

圖10　循環(huán)工況導(dǎo)入數(shù)據(jù)

以下經(jīng)濟性仿真結(jié)果均在本文構(gòu)建的循環(huán)工況下進行驗證，匹配車輛及BYD-K9的能耗仿真結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11　匹配車輛循環(huán)工況能耗

圖12　BYD-K9循環(huán)工況能耗

3.4.2仿真結(jié)果對比分析

仿真結(jié)果對比分析如表5所示。

表5　仿真結(jié)果對比分析

4　結(jié)論

1)通過對西安市純電動公交車的行駛數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建具有代表性的區(qū)域車輛循環(huán)行駛工況，并進行純電動城市客車的驅(qū)動電機、動力電池組以及輪邊減速器速比的動力系參數(shù)匹配。

2)利用AVL-CRUISE仿真軟件，通過仿真結(jié)果的分析，匹配車輛的動力傳動速比為定值，對于動力性有影響，但滿足高新區(qū)行駛要求，電能消耗明顯小于BYD-K9純電動城市客車。

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