周翔，孫長(zhǎng)存，王凱，林永茂，童驍

（江西博能上饒客車有限公司 技術(shù)中心，江西 上饒 334000）

前言

純電動(dòng)客車的續(xù)駛里程受行駛工況、動(dòng)力參數(shù)、儲(chǔ)能參數(shù)匹配等條件的影響[1-2]?？蛻粼陧?xiàng)目初期均會(huì)對(duì)純電動(dòng)客車的續(xù)駛里程提出一定的要求。因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期對(duì)客車的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真顯得尤為重要。

有學(xué)者在汽車設(shè)計(jì)過程中，使用GT Power、Cruise等商業(yè)軟件，對(duì)客車的經(jīng)濟(jì)性做了模擬仿真[3]。但是，這些商業(yè)化的計(jì)算分析軟件，價(jià)格昂貴，應(yīng)用不方便，如操作過于繁瑣、所需參數(shù)過多、模型準(zhǔn)備時(shí)間太長(zhǎng)等。如果不是專業(yè)的CAE工程師操作，很難完成此項(xiàng)工作。而在整車的開發(fā)初期，某些參數(shù)獲取困難，模擬仿真難以實(shí)現(xiàn)。Matlab具有強(qiáng)大建模及編程功能，所以能很好地解決這一方面的問題[4-6]。

1 經(jīng)濟(jì)性仿真的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 車型參數(shù)導(dǎo)入

純電動(dòng)公交車項(xiàng)目 6116BEVG1的車型仿真所需的主要數(shù)據(jù)見下表1所示。

表1 車型參數(shù)

1.2 路譜數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

項(xiàng)目初期客戶提出公交車需在指定的路線按照公交車運(yùn)行工況行駛，未開啟空調(diào)時(shí)續(xù)駛里程要達(dá)到230 km。為獲取準(zhǔn)確的路譜數(shù)據(jù)，我司技術(shù)人員在該線路行駛的公交車上安裝由RACELOGIC公司生產(chǎn)的VBOX數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄下車輛的車速、經(jīng)緯度、海拔等信息（見圖1，為其中截取的一段）。

圖1 車輛數(shù)據(jù)及海拔圖像

可用VBOX Tools軟件直接導(dǎo)出成Matlab可直接讀取的EXCEL格式的數(shù)據(jù)文件。

1.3 電機(jī)外特性和效率數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

將電機(jī)在各轉(zhuǎn)速和扭矩下的效率數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab，電機(jī)效率Z當(dāng)成電機(jī)轉(zhuǎn)速X和扭矩Y的函數(shù)，采用最小二乘法和回歸分析法擬合得的電機(jī)MAP圖見圖2[7-8]所示。求解得的電機(jī)效率的函數(shù)為：

圖2 電機(jī)MAP三維圖

2 經(jīng)濟(jì)性仿真的計(jì)算模型

2.1 整車動(dòng)力學(xué)模型

車輛驅(qū)動(dòng)力：

Ttq為電機(jī)扭矩，ηt為傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率，ig為主減速比。

滾動(dòng)阻力：

其中f0和f1為與滾動(dòng)阻力有關(guān)的系數(shù)，G為車輪對(duì)地面的壓力，ua為車速。

空氣阻力：

其中CD為空氣阻力系數(shù)，A為車輛迎風(fēng)面積。

坡度阻力：

其中ɑ為坡度角，h為海拔。

加速阻力：

δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的轉(zhuǎn)換系數(shù)，a為車輛加速度。

根據(jù)汽車行駛阻力平衡方程[9-10]：

2.2 制動(dòng)能量回收計(jì)算

制動(dòng)能量回收需要滿足一定條件，如動(dòng)力電池 SOC＜90%，且車速＞20 km/h。

當(dāng)滿足上述條件時(shí)，假設(shè)車輛在車速v以減速度a行駛時(shí)，有平衡方程：

其中Fh為制動(dòng)回收的反向力矩到車輪上的作用力。

Th為電機(jī)的回饋力矩，η為制動(dòng)力回饋的機(jī)械傳遞效率。此時(shí)根據(jù)車速計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速n，在回饋模式的外特性圖中求得額定工況下的最大扭矩T0，T0即為該車速下電機(jī)能產(chǎn)生的最大反向力矩。

當(dāng)Fh≦F0時(shí)，制動(dòng)時(shí)時(shí)回饋給儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電功率Ph=n*T*ηh/9550，其中ηh為電機(jī)在該轉(zhuǎn)速和扭矩的回饋模式下的效率。

當(dāng)Fh＞F0時(shí)，Ph=n*T0*ηh/9550。

最終因能量回收使儲(chǔ)能電池增加的電能。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 電耗計(jì)算

將上述計(jì)算模型編程，并輸入整車等相關(guān)參數(shù)后得到車速及累計(jì)電耗的曲線，見圖4（為截取的一段）。經(jīng)計(jì)算的該純電動(dòng)公交車在客戶指定工況下運(yùn)行平均電耗為 0.92 kWh/km。為純電動(dòng)車留有剩余 10%SOC的安全量，客戶要求的230 km的續(xù)駛里程應(yīng)對(duì)應(yīng)整車電量255.48×90%=229.93 kWh。為滿足客戶要求，電耗應(yīng)小于1 kWh/km。由此可得，該車型仿真結(jié)果滿足客戶的續(xù)駛里程要求。

圖4 車速與電耗曲線圖

后續(xù)在樣車試驗(yàn)驗(yàn)證階段在客戶指定道路上以該工況運(yùn)行，測(cè)得實(shí)際電耗為0.94 kWh/km，與仿真結(jié)果的0.92 kWh/km非常接近。

3.2 電機(jī)負(fù)載分析

對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)功率進(jìn)行計(jì)算并繪制成曲線，見圖 5。可以看出電機(jī)的實(shí)時(shí)功率基本都在100 kW（額定功率）以內(nèi)，超過100 kW的最長(zhǎng)時(shí)間僅為15 s，且功率值遠(yuǎn)低于峰值功率。所以該車型動(dòng)力性較為充足，使用中不存在電機(jī)負(fù)載長(zhǎng)期過高的現(xiàn)象。

圖5 車速與電機(jī)功率曲線圖

4 結(jié)論

本文提出了一種基于 Matlab程序的純電動(dòng)客車經(jīng)濟(jì)性仿真分析方案，包含電機(jī)效率模型的建立、整車動(dòng)力模型的建立和整車制動(dòng)能量回收模型的建立。程序能通過導(dǎo)入實(shí)際的路譜，滿足客戶的定制化需求，并能對(duì)電機(jī)運(yùn)行的負(fù)荷狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。本方案經(jīng)與實(shí)車路試結(jié)果對(duì)比，有較高的可參考性。