毛正松 林永發(fā) 王 皓 陳紅權(quán) 王東棟 王 虹

(廣西玉柴機(jī)器股份有限公司， 廣西玉林市 537005)

0 引言

純電動(dòng)汽車作為新能源汽車中的一種，其特征是完全依靠于動(dòng)力電池中的電能進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛，是一種零排放、低噪音及行駛穩(wěn)定的理想交通工具。早在19世紀(jì)末以來(lái)，電動(dòng)車輛一直在使用[1]。隨著城市快速發(fā)展，純電動(dòng)公交車需求量急劇增加，純電公交車的使用有效減輕城市空氣污染及噪音污染。本文對(duì)某款8.5m公交車匹配純電直驅(qū)動(dòng)力總成系統(tǒng)，并驗(yàn)證純電直驅(qū)動(dòng)力總成方案實(shí)現(xiàn)全過(guò)程，提出從軟件模型仿真到臺(tái)架驗(yàn)證，最后到樣車測(cè)試的純電動(dòng)力系統(tǒng)匹配技術(shù)研究。

1 純電驅(qū)動(dòng)構(gòu)型設(shè)計(jì)

純電汽車的構(gòu)型直接影響著電池電能的傳動(dòng)效率和整車合理性的布置，因此新能源公交車匹配動(dòng)力系統(tǒng)要基于以下幾個(gè)方面：

1) 基于滿足整車的扭矩及轉(zhuǎn)速等動(dòng)力需求情況下，整車動(dòng)力總成系統(tǒng)應(yīng)符合結(jié)構(gòu)緊湊及布置合理，車輛行駛過(guò)程中盡量降低噪音和振動(dòng)[2]；

2) 動(dòng)力總成系統(tǒng)應(yīng)符合傳動(dòng)效率高，可以實(shí)現(xiàn)電能回饋功能(下坡回饋電能、車速高情況下剎車回饋電能等)；

3) 動(dòng)力系統(tǒng)具備一定的可靠性，保證駕駛過(guò)程的安全可靠運(yùn)行，還讓乘客體驗(yàn)到良好舒適性；

基于上述幾方面的要求，結(jié)合匹配的公交車型具體情況，考慮到公交車行駛路線相對(duì)穩(wěn)定，行駛工況也相對(duì)固定，對(duì)爬坡度要求不高，整車車速要求不高，動(dòng)力需求相對(duì)不大，綜合各方面的考慮，對(duì)該款8.5 m公交車匹配純電直驅(qū)動(dòng)力總成系統(tǒng)，具體構(gòu)型如圖1示，該構(gòu)型具備以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 在整車扭矩和轉(zhuǎn)速方面，純電直驅(qū)動(dòng)力總成構(gòu)型可以做到滿足整車需求的扭矩和轉(zhuǎn)速外，而且該構(gòu)型是由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)整車后橋，系統(tǒng)占用空間小，因此可達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊、布置空間合理的效果，而且純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)及噪音小；

2) 在動(dòng)力總成系統(tǒng)傳動(dòng)效率方面，因構(gòu)型是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)整車后橋，省去扭矩傳遞的中間設(shè)備(如變速箱、換擋箱等)，而動(dòng)力系統(tǒng)的傳動(dòng)效率主要取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)效率，因此實(shí)現(xiàn)動(dòng)力總成系統(tǒng)傳動(dòng)效率有所提高，實(shí)現(xiàn)整車高效驅(qū)動(dòng)的目標(biāo)；

3) 在動(dòng)力總成系統(tǒng)的可靠性及舒適性方面，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)整車后橋，減少變速箱或者換擋箱等中間設(shè)備，這樣可以避免整車在換擋過(guò)程中的動(dòng)力中斷，也避免了在車輛在行駛過(guò)程中的頓挫感，避免造成乘客的不適。

圖1 純電直驅(qū)動(dòng)力總成構(gòu)型
Fig.1 Structural of pure electric system

因此，結(jié)合純電直驅(qū)構(gòu)型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及公交車的性能要求，最終決定對(duì)公交車的動(dòng)力總成系統(tǒng)匹配純電直驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型，下一步則結(jié)合AVL-Cruise軟件對(duì)純電直驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型進(jìn)行建立仿真模型，從而驗(yàn)證構(gòu)型的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性。

1 AVL-Cruise仿真模型

系統(tǒng)仿真技術(shù)是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等理論基礎(chǔ)之上的，以計(jì)算機(jī)和其他專用設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)真實(shí)或假想的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并借助專家經(jīng)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和信息資料對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究，進(jìn)而做出決策的一門(mén)綜合性和實(shí)驗(yàn)性的學(xué)科[3]。AVL-Cruise 軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)純電動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真分析，可實(shí)現(xiàn)不同循環(huán)工況的電耗理論計(jì)算及最大爬坡度計(jì)算等不同測(cè)試內(nèi)容。在AVL-Cruise中建立仿真模型需要一些整車的相關(guān)參數(shù)，如下表1所示。

表1 某公交車整車參數(shù)Table 1 Parameters of city bus

1.1 整車動(dòng)力需求理論計(jì)算

1.1.1整車需求功率

1) 最高車速對(duì)應(yīng)爬坡度確定整車需求功率

假設(shè)整車最高車速對(duì)應(yīng)最大爬坡度下需求的牽引力F1及對(duì)應(yīng)的功率P1，則由公式：

(1)

其中ρ為空氣密度值為1.189 kg/m3，g為重力加速度值為9.8 m/s2；

2) 最高車速確定整車需求功率

假設(shè)整車最高車速下需求的牽引力F2及對(duì)應(yīng)的功率P2，則由公式：

(2)

3) 加速能力確定整車需求功率

假設(shè)整車0～50 km/h的加速時(shí)間t對(duì)應(yīng)的功率P3，則由公式：

(3)

公式中δ旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，常取值為1.2，dt為計(jì)算過(guò)程中迭代步長(zhǎng)，其值0.1可滿足精度要求。

4) 在滿足整車最高車速、最大爬坡度及加速能力情況下，確定整車最大的需求功率Pmax：

Pmax≥max{P1,P2,P3}

(4)

表2 不同需求下整車功率Table 2 Requirement power of city bus

由公式(1)～(4)得到整車需求功率140 kW。

2.1.2整車驅(qū)動(dòng)扭矩

假設(shè)整車最大爬坡度對(duì)應(yīng)的牽引力[4]F2及對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)扭矩T，則由公式：

TMax=

(5)

由公式(5)所計(jì)算得整車需求驅(qū)動(dòng)扭矩T=1691 N·m；

但考慮公交車特殊情況下的功率和驅(qū)動(dòng)扭矩需求，如公交車在上下班高峰期，整車載重一般存在超載情況，假設(shè)超載的質(zhì)量約為整車滿載質(zhì)量的10%，利用上述公式(1)計(jì)算所得整車需求功率為P=149 kW，及最大爬坡的對(duì)應(yīng)的需求驅(qū)動(dòng)扭矩為T(mén)=1823 N·m?；谡嚨墓β始膀?qū)動(dòng)扭矩的需求，結(jié)合現(xiàn)有電機(jī)型譜中，最終選定某款電機(jī)，其額定及峰值功率分別為75/150 kw，額定扭矩及峰值扭矩分別為900/1800 N·m。

2.2 AVL-Cruise模型建立

基于上述整車數(shù)據(jù)及電機(jī)性能參數(shù)，利用AVL-Cruise軟件進(jìn)行對(duì)整車的動(dòng)力總成系統(tǒng)進(jìn)行仿真模型搭建，仿真模型如圖2所示。

2.3 模型仿真結(jié)果分析

對(duì)純電8.5 m公交車AVL_Cruise模型進(jìn)行仿真，仿真的內(nèi)容包括中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況分析(CCBC工況)、最大爬坡度、最高車速對(duì)應(yīng)的爬坡度及0到50 km/h的加速時(shí)間等內(nèi)容。

1) CCBC工況測(cè)試的具體要求如表3所示。

圖2 純電8.5m公交車AVL Cruise模型Fig.2 AVL Cruise model of the city bus

表3 CCBC循環(huán)工況Table 3 Parameters of CCBC

從CCBC工況下，整車需求扭矩如圖3示。

圖3 整車需求扭矩Fig.3 Requirement torque of the city bus

從圖3、4中可知，在CCBC工況下，整車最大需求扭矩為1027 N·m, 最大需求功率150 kW。

圖4 整車需求功率Fig.4 Requirement power of the city bus

從圖5中可知，整車最大的爬坡度為18.36%，當(dāng)車速為70 km/h時(shí)對(duì)應(yīng)爬坡度為4.12%。

圖5 整車不同車速對(duì)應(yīng)爬坡度
Fig.5 The relationship of velocity and slope

從圖6中可知，整車在0到50 km/h的加速時(shí)間為11.3 s。

圖6 整車加速時(shí)間與車速關(guān)系Fig.6 Relationship of acceleration time and speed

對(duì)純電8.5 m公交車AVL_Cruise模型進(jìn)行仿真的結(jié)果如下表4所示。

表4 純電8.5 m公交車模型仿真結(jié)果Table 4 The simulation results of the city bus

通過(guò)利用AVL-Cruise對(duì)匹配的公交車進(jìn)行模型建立，并進(jìn)行仿真計(jì)算，從仿真結(jié)果表明，整車最大爬坡度為18.36%，滿足公交車需求的15%爬坡度，70 km/h車速對(duì)應(yīng)爬坡度為4.12%，滿足公交車需求的3%爬坡度，所以對(duì)該款公交車匹配峰值功率150 kw、最大扭矩1800 N·m的電機(jī)組成的純電直驅(qū)總成系統(tǒng)符合該公交車的性能需求。

2 新能源臺(tái)架驗(yàn)證

上述通過(guò)AVL-Cruise建模仿真驗(yàn)證匹配的純電直驅(qū)動(dòng)力總成系統(tǒng)從理論仿真結(jié)果上符合整車的性能要求，下面通過(guò)新能源臺(tái)架實(shí)際測(cè)試，從純電直驅(qū)實(shí)物構(gòu)型上驗(yàn)證該匹配方案的可行性。

新能源臺(tái)架測(cè)試設(shè)備主要包括測(cè)功機(jī)、功率分析儀、電池模擬器、系統(tǒng)測(cè)試器及測(cè)試軟件。該臺(tái)架主要用于純電動(dòng)力系統(tǒng)、混聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)、并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)、串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的功能性及經(jīng)濟(jì)性測(cè)試。

基于匹配的公交車整車參數(shù)，結(jié)合匹配的純電直驅(qū)動(dòng)力總成系統(tǒng)要求，在新能源測(cè)試臺(tái)架搭建純電直驅(qū)動(dòng)力總成系統(tǒng)實(shí)物構(gòu)型，并進(jìn)行相應(yīng)的功能性及經(jīng)濟(jì)性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下表5所示。

表5 新能源臺(tái)架測(cè)試結(jié)果Table 5 Results of bench test

通過(guò)利用新能源測(cè)試臺(tái)架對(duì)匹配公交車的純電直驅(qū)動(dòng)力總成系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)物構(gòu)型測(cè)試，從測(cè)試結(jié)果表明，匹配純電直驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)的公交車可以實(shí)現(xiàn)整車的行駛功能要求如車驅(qū)動(dòng)行駛、剎車回饋、防溜坡及車速限制等功能，同時(shí)也測(cè)試該系統(tǒng)的CCBC工況下每公里電耗為0.553 kW·h,最大爬坡度為18.1%，同樣滿足公交車需求的15%爬坡度，70 km/h車速對(duì)應(yīng)最爬坡度為3.8%，同樣滿足公交車需求的3%爬坡度，因此通過(guò)新能源臺(tái)架測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)該款公交車匹配的純電直驅(qū)總成系統(tǒng)方案同樣符合該公交車的整體性能要求。

3 樣車路況實(shí)測(cè)

從AVL Cruise軟件仿真模型計(jì)算結(jié)果到新能源臺(tái)架實(shí)物測(cè)試結(jié)果都表明，對(duì)該款公交車匹配純電直驅(qū)動(dòng)力總成系統(tǒng)的方案具有可行性，則下面對(duì)現(xiàn)有樣車進(jìn)行匹配純電直驅(qū)動(dòng)力總成系統(tǒng)進(jìn)行整車道路功能試驗(yàn)及經(jīng)濟(jì)性測(cè)試。匹配完成的公交車如下圖7所示。

3.1 最大爬坡度測(cè)試

車輛在有一定坡度的坡道進(jìn)行最大爬坡度測(cè)試，車輛以1 km/h的車速可以通過(guò)的最大坡度值，通過(guò)測(cè)試，8.5 m樣車的最大爬坡度可到達(dá)15.3%，樣車以70k m/h的車速行駛可以通過(guò)3.2%的坡道，圖8為樣車在坡道測(cè)試。

圖7 純電直驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)8.5 m樣車Fig.7 The city bus of a pure electric system

圖8 樣車在坡道測(cè)試Fig.8 The city bus on ramp test

3.2 車速0到50 km/h加速時(shí)間測(cè)試

樣車在靜止?fàn)顟B(tài)下，司機(jī)踩完油門(mén)加速踏板行程，此時(shí)車速?gòu)?到50 km/h所用加速時(shí)間為11.8 s。

3.3 公交路線工況測(cè)試

樣車選擇在該匹配公交車實(shí)際運(yùn)營(yíng)的公交路線上進(jìn)行測(cè)試，該樣車正常行駛完整個(gè)公交路線的路程，測(cè)試結(jié)果為樣車平均每公里的電量消耗值為0.667 kw·h。

4 結(jié)論

對(duì)某整車廠8.5m公交車匹配純電直驅(qū)動(dòng)力總成系統(tǒng)，并驗(yàn)證純電直驅(qū)動(dòng)力總成方案可行性，分別從AVL Cruise軟件模型理論計(jì)算仿真到新能源測(cè)試臺(tái)架驗(yàn)證，最后到樣車實(shí)際公交路線測(cè)試及驗(yàn)證，總的測(cè)試結(jié)果如下表6所示。

上述結(jié)果，在CCBC工況下每公里電耗值，其中新能源臺(tái)架測(cè)試電耗值最小，該值為每公里耗電量為0.533 kW·h，原因?yàn)榕_(tái)架測(cè)試耗電設(shè)備僅僅是純電直驅(qū)動(dòng)力總成系統(tǒng)，沒(méi)有考慮整車的電附件及儀表的耗電，而在AVL Cruise仿真模型及整車公交路線測(cè)試都存在電附件及儀表的耗電情況，臺(tái)架測(cè)試結(jié)果與樣車公交路線測(cè)試結(jié)果相差不大；最大爬坡度測(cè)試結(jié)果中，AVL Cruise模型仿真值最大為18.36%，而整車公交路線測(cè)試值最小為15.3%，主要原因?yàn)閷?shí)際樣車測(cè)試過(guò)程中，電機(jī)輸出的扭矩受到傳動(dòng)設(shè)備的傳動(dòng)效率影響，而AVL Cruise模型仿真中電機(jī)扭矩傳遞效率值較高，傳動(dòng)效率為理論值，在樣車中難以達(dá)到；在70 km/h對(duì)應(yīng)爬坡度測(cè)試結(jié)果與最大爬坡度的結(jié)果一樣，造成的原因也是與最大爬坡度的原因一樣；而0到50 km/h加速時(shí)間測(cè)試結(jié)果中，三項(xiàng)測(cè)試的結(jié)果相差不大。

表6 某8.5 m公交車總測(cè)試結(jié)果Table 6 Test results of the city bus

總的結(jié)果表明，AVL Cruise模型理論計(jì)算結(jié)果、新能源測(cè)試臺(tái)架驗(yàn)證結(jié)果及樣車實(shí)際公交路線測(cè)試結(jié)果等三項(xiàng)測(cè)試結(jié)果都滿足某整車廠8.5m公交車的整體性能要求及動(dòng)力需求，說(shuō)明為該公交車型匹配純電直驅(qū)動(dòng)力總成系統(tǒng)方案具有可性性。