李廷朋，封 進(jìn)，張瑞賓，龍?jiān)茲桑瑥堩樑d

（桂林航天工業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

0 引言

隨著新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，新能源汽車的發(fā)展也逐步加快。純電動(dòng)客車相比傳動(dòng)客車在結(jié)構(gòu)和性能方面均具有諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]，因此純電動(dòng)客車也逐漸成為科研院所和汽車廠商的研究重點(diǎn)[3-5]。為了滿足整車的動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)要求，在整車開發(fā)前期進(jìn)行參數(shù)匹配與性能仿真分析研究具有相應(yīng)的工程應(yīng)用意義。杜常清等[6]通過對(duì)輕型純電動(dòng)客車設(shè)計(jì)了單級(jí)、雙級(jí)以及四級(jí)變速器傳動(dòng)系統(tǒng)布置方案，通過對(duì)3種布置方案進(jìn)行參數(shù)匹配并基于Cruise 軟件進(jìn)行動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能仿真分析，結(jié)果表明雙級(jí)變速器具有最佳優(yōu)勢(shì)。屈進(jìn)勇等[7]以某款純電動(dòng)客車為研究對(duì)象，并對(duì)其傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了選型和參數(shù)匹配，通過仿真分析研究以及樣車試驗(yàn)，驗(yàn)證了動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的合理性和結(jié)果的可靠性。在滿足動(dòng)力性能以及經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)的要求下，進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件選型和參數(shù)匹配并確定配置方案，通過仿真分析驗(yàn)證了仿真結(jié)果的合理性[8]。為獲取最優(yōu)動(dòng)力部件參數(shù)匹配結(jié)果，建立以動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù)，通過運(yùn)用遺傳算法對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)匹配參數(shù)結(jié)果及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的合理性進(jìn)行了分析驗(yàn)證[9]。

本文基于某款純電動(dòng)客車整車參數(shù)與性能指標(biāo)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、傳動(dòng)比等主要?jiǎng)恿Σ考M(jìn)行了參數(shù)匹配，通過Cruise 軟件仿真平臺(tái)進(jìn)行整車動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性能仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果均能達(dá)到整車性能指標(biāo)要求，同時(shí)也驗(yàn)證了整車動(dòng)力傳動(dòng)部件參數(shù)匹配的合理性。

1 整車結(jié)構(gòu)與基本參數(shù)

1.1 純電動(dòng)客車整車結(jié)構(gòu)

純電動(dòng)客車與傳統(tǒng)燃油客車在底盤結(jié)構(gòu)上相比，由于采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)代替了發(fā)動(dòng)機(jī)，因此在結(jié)構(gòu)上相對(duì)更加簡單，主要?jiǎng)恿Σ考閯?dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主減速器、差速器等部分組成[10]，其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 純電動(dòng)客車基本結(jié)構(gòu)

1.2 純電動(dòng)客車基本參數(shù)

依據(jù)純電動(dòng)客車整車基本參數(shù)及性能指標(biāo)，進(jìn)行整車關(guān)鍵動(dòng)力部件的參數(shù)匹配和選型分析，從而得到整車傳動(dòng)系統(tǒng)部件仿真基本參數(shù)，純電動(dòng)客車整車參數(shù)如表1所示。

表1 純電動(dòng)客車整車參數(shù)

整車性能仿真分析指標(biāo)主要考慮整車的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，動(dòng)力性主要以最高車速、加速時(shí)間及最大爬坡度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)性主要以NEDC 工況續(xù)航里程和40 km/h 等速續(xù)航里程作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，整車性能指標(biāo)如表2所示。

表2 純電動(dòng)客車性能指標(biāo)

2 關(guān)鍵動(dòng)力部件參數(shù)匹配

純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的結(jié)果將影響整車的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能，也為整車關(guān)鍵動(dòng)力部件的選型分析提供依據(jù)。文中通過運(yùn)用整車建模仿真分析的方法來驗(yàn)證動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵動(dòng)力部件參數(shù)匹配的合理性，同時(shí)可以有效地減少整車的開發(fā)周期，較好地提升整車的動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性能。

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為純電動(dòng)客車唯一的動(dòng)力源，其參數(shù)匹配設(shè)計(jì)要滿足整車性能指標(biāo)要求。根據(jù)汽車?yán)碚撓嚓P(guān)知識(shí)，可以得出整車需要滿足最高速度、加速時(shí)間、爬坡性能3 項(xiàng)指標(biāo)要求[11]。通過滿足3 項(xiàng)性能指標(biāo)要求可以匹配所需驅(qū)動(dòng)電機(jī)相關(guān)參數(shù)[12]。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)必滿足整車最高車速性能指標(biāo)要求，純電動(dòng)客車以最高車速行駛所需要滿足的功率Pa為：

式中：m為滿載質(zhì)量，kg；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)正面面積，m2；umax為最高行駛車速，km/h；η為機(jī)械傳動(dòng)效率。

根據(jù)整車的最高車速以及各項(xiàng)參數(shù)可得Pa=94.46 kW。

純電動(dòng)客車以某一車速爬上最大坡度消耗的功率Pb為：

式中：up為電動(dòng)客車爬坡時(shí)的行駛速度，km/h；αmax為最大坡度角，αmax=arctani。

將所預(yù)設(shè)的最大爬坡度以及各項(xiàng)參數(shù)代入上式中：當(dāng)up=30 km/h，爬坡度i=24%時(shí)，Pb=182.33 kW。

純電動(dòng)客車在水平路面上加速行駛消耗的功率Pc為：

式中：δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)取1.1；uf為電動(dòng)客車加速后達(dá)到的速度，km/h；du/dt為加速度。

將所預(yù)設(shè)的參數(shù)0～50 km/h 的加速時(shí)間為20 s，代入式中可得Pc=101.28 kW。

因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)該滿足以上消耗功率要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率Pemax應(yīng)滿足：

電動(dòng)機(jī)的峰值功率和額定功率之間的關(guān)系為：

式中：λ為電機(jī)的過載系數(shù)，一般取值為2～3，文中取值為2。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率為Pemax≥max{94.46 kW；182.33 kW；101.28 kW}=182.33 kW。由于考慮到純電動(dòng)客車行駛工況復(fù)雜多變，為了能使整車發(fā)揮相應(yīng)的動(dòng)力性能，同時(shí)不造成一定的功率浪費(fèi)，應(yīng)具有一定的最大功率余量來滿足實(shí)際駕駛需求，因此峰值功率Pemax=200 kW，額定功率Pe=100 kW，驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本參數(shù)如表3所示。

表3 電機(jī)基本參數(shù)

2.2 動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

合理匹配純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)比能夠更充分發(fā)揮電機(jī)性能。傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比能夠起到減速增扭的作用，從而提升整車的動(dòng)力性能，來應(yīng)對(duì)爬坡、起步等大扭矩需求工況[13]。

傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比的上限由電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速和最高行駛速度確定如下：

代入?yún)?shù)得出傳動(dòng)比上限imin≤7.32。

電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩和最高行駛車速對(duì)應(yīng)的行駛阻力確定傳動(dòng)比的下限如下式所示：

式中：Tumax為電動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩，N·m。

將參數(shù)代入上式可得imax≤3.48。

因此，主減速的傳動(dòng)比3.48≤i0≤7.32，初步定為i0=7。

2.3 動(dòng)力電池參數(shù)匹配

動(dòng)力電池的容量要滿足行駛里程的要求，電壓要滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作電壓的要求。目標(biāo)車輛的性能指標(biāo)要求在40 km/h 等速續(xù)航里程要大于300 km。通過下式可計(jì)算出電池的容量：

式中：Em為電機(jī)所消耗的能量，kW·h；T為工況下持續(xù)的時(shí)間，h；ηm為電機(jī)的工作效率，取值97%。

代入?yún)?shù)可得：P40=18.46 kW；Em=142.73 kW·h。

純電動(dòng)客車也應(yīng)該考慮到其他低壓電氣所消耗的能量。低壓附件電氣消耗的功率Plow=2 kW，故純電動(dòng)客車在等速40 km/h循環(huán)工況下空調(diào)及低壓附件電氣消耗的能量為：

式中：Elow為電動(dòng)客車低壓附件所消耗的能量，kW·h；ηDC為電動(dòng)客車DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率，取96%。

將參數(shù)代入式中計(jì)算可得Elow=15.63 kW·h。

所以，純電客車以等速40 km/h 循環(huán)工況下，行駛300 km所消耗的能量即為電池組的總能量為：

式中：E為電池組的總能量，kW·h；ηD為電池的放電深度，為90%。

將參數(shù)代入式中計(jì)算可得：E=158.63 kW·h，初步取值175.45 kW·h。

動(dòng)力電池的額定容量的表達(dá)式為：

式中：Ce為電池組的額定容量，A·h；Ue為電池組的額定電壓，V。

將參數(shù)代入式中計(jì)算可得Ce=288.09 A·h，初步取值342 A·h。在鋰離子電池中由于磷酸鐵鋰電池具有高安全性和高比能量特性，比較適合運(yùn)用于純電動(dòng)客車上，文中選定動(dòng)力電池組額定電壓550.62 V，單體標(biāo)稱電壓為3.22 V，動(dòng)力電池組基本參數(shù)如表4所示。

表4 動(dòng)力電池組參數(shù)

3 整車建模與性能仿真

3.1 純電動(dòng)客車整車模型建立

純電動(dòng)客車仿真模型建立基于Cruise 軟件仿真平臺(tái)，分別建立整車模塊、動(dòng)力電池模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、減速器模塊、車輪模塊、駕駛室模塊等相關(guān)參數(shù)的設(shè)定[14]。同時(shí)對(duì)各個(gè)模塊之間建立機(jī)械連接和電氣連接，最后完成所需仿真循環(huán)工況的設(shè)置[15]，所建立的整車仿真模型如圖2所示。

圖2 純電動(dòng)客車仿真模型

3.2 整車性能仿真

整車的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能是評(píng)價(jià)其性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。動(dòng)力性能仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度，經(jīng)濟(jì)性能仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為NEDC 工況和等速40 km/h循環(huán)工況。

3.2.1 動(dòng)力性能仿真分析

整車目標(biāo)最高車速設(shè)定為100 km/h，仿真結(jié)果如圖3 所示，結(jié)果表明純電動(dòng)客車的最高車速為103 km/h，符合設(shè)計(jì)要求?？紤]到客車的行駛工況，整車加速時(shí)間設(shè)定為0～50 km/h加速過程。通過進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖4 所示，結(jié)果表明純電動(dòng)客車的加速時(shí)間為12.38 s，結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 最高車速仿真結(jié)果

圖4 加速時(shí)間性能仿真結(jié)果

在全負(fù)荷條件下，整車以30 km/h 速度行駛時(shí)的最大爬坡度來作為仿真工況。圖5 所示為純電動(dòng)客車的爬坡性能仿真結(jié)果，仿真結(jié)果滿足整車目標(biāo)設(shè)定值。表5 所示為整車動(dòng)力性能設(shè)計(jì)目標(biāo)值與仿真結(jié)果的對(duì)比，從表中可以看出，純電動(dòng)客車的最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度3 項(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，也驗(yàn)證了整車動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件參數(shù)匹配結(jié)果的合理性。

圖5 爬坡度仿真結(jié)果

表5 設(shè)計(jì)目標(biāo)值與仿真結(jié)果比較

3.2.2 經(jīng)濟(jì)性能仿真分析

整車經(jīng)濟(jì)性能仿真分析為NEDC 循環(huán)工況和40 km/h 等速循環(huán)工況。為防止動(dòng)力電池因過度放電而減少電池壽命，設(shè)定在電池SOC低于10%的情況下，結(jié)束整車循環(huán)工況任務(wù)。

整車NEDC循環(huán)工況仿真結(jié)果如圖6所示，仿真結(jié)果表明，在NEDC循環(huán)工況整車?yán)m(xù)航里程滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖6 NEDC循環(huán)工況續(xù)航里程

圖7 所示為純電動(dòng)客車在40 km/h 等速循環(huán)工況下的仿真結(jié)果，結(jié)果表明整車在40 km/h 等速循環(huán)工況下的續(xù)航里程符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖7 等速40 km/h 循環(huán)工況續(xù)航里程

表6 所示為純電動(dòng)客車的經(jīng)濟(jì)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)與仿真結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明，整車在NEDC 循環(huán)工況和40 km/h 等速循環(huán)工況下續(xù)航里程均能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，驗(yàn)證了動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的合理性。

表6 設(shè)計(jì)目標(biāo)值與仿真結(jié)果比較

4 結(jié)束語

基于純電動(dòng)客車整車參數(shù)和性能指標(biāo)，對(duì)整車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)比以及動(dòng)力電池關(guān)鍵動(dòng)力部件進(jìn)行了參數(shù)匹配設(shè)計(jì)。在整車參數(shù)匹配設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過運(yùn)用Cruise 軟件分別建立整車模塊、動(dòng)力電池模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、主減速器模塊、車輪等模塊，并完成相應(yīng)信號(hào)線的連接以及仿真任務(wù)的設(shè)置，最終完成整車仿真模型的搭建。以整車的最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度作為整車動(dòng)力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，以NEDC 循環(huán)工況和40 km/h 等速循環(huán)工況作為整車經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。仿真結(jié)果表明整車的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。仿真結(jié)果為后續(xù)進(jìn)行純電動(dòng)客車參數(shù)匹配設(shè)計(jì)提供了研究基礎(chǔ)。