【摘" 要】首先對(duì)道路設(shè)計(jì)規(guī)范和汽車(chē)行駛工況分析，得出電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力性設(shè)計(jì)指標(biāo)；同時(shí)建立電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力性計(jì)算模型，計(jì)算、分析驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩，并給出驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的匹配分析；最后用MATLAB進(jìn)行整車(chē)動(dòng)力性仿真分析及測(cè)試驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)客車(chē)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)；整車(chē)動(dòng)力性；匹配分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2022 ）12-0013-05

Matching Analysis of Driving Motor System and Power Performance of Electric Bus

TANG Yu-liang

（Guangxi College of Technology，Guigang 537110，China）

【Abstract】Firstly，the road design specifications and vehicle driving conditions are analyzed，and the dynamic design index of electric bus is obtained；At the same time，the power calculation model of the electric bus is established，the speed，power and torque of the drive motor are calculated and analyzed，and the matching analysis of the drive motor controller is given. Finally，the dynamic performance of the whole vehicle is simulated and tested with MATLAB.

【Key words】electric bus；drive motor system；vehicle power performance；matching analysis

從汽車(chē)發(fā)展趨勢(shì)看，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)是提高汽車(chē)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、保障能源安全和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑。通過(guò)近幾年電動(dòng)城市客車(chē)的大力推廣，車(chē)輛續(xù)航里程提升、成本下降、可靠性提高等有大幅改善。針對(duì)公路客運(yùn)、旅游團(tuán)體、商務(wù)接待、企事業(yè)通勤等客運(yùn)市場(chǎng)，運(yùn)輸公司選擇電動(dòng)客車(chē)也在加速。驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)與整車(chē)是否匹配，直接影響到整車(chē)的動(dòng)力性、舒適性、續(xù)航能力等。本文以一款8.1m電動(dòng)客車(chē)為例，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)與整車(chē)動(dòng)力性進(jìn)行匹配、計(jì)算，并用MATLAB進(jìn)行仿真分析。

1" 道路設(shè)計(jì)規(guī)范和汽車(chē)行駛工況分析

1.1" 城市道路和公路設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的相關(guān)要求，機(jī)動(dòng)車(chē)道最大縱坡應(yīng)分別符合表1的規(guī)定。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]的相關(guān)要求，公路最大縱坡和不同縱坡的最大坡長(zhǎng)應(yīng)分別符合表2和表3的規(guī)定。

從上面3個(gè)表可以看出，城市道路最大縱坡為8%，公路最大縱坡為10%。

1.2" 高速公路對(duì)車(chē)速要求

根據(jù)文獻(xiàn)[3]的相關(guān)要求：第七十八條 高速公路上行駛的小型載客汽車(chē)最高車(chē)速不得超過(guò)每小時(shí)120km，其他機(jī)動(dòng)車(chē)不得超過(guò)每小時(shí)100km。

1.3" 中國(guó)客車(chē)行駛工況

根據(jù)文獻(xiàn)[4]的相關(guān)要求，中國(guó)客車(chē)行駛工況（CHTC-C）包括市區(qū)（1部）、城郊（2部）和高速（3部）3個(gè)速度區(qū)間，工況曲線(xiàn)如圖1所示。0—50km/h、30—80km/h加速時(shí)間用時(shí)最少，分別為20s、38s，發(fā)生在第3部。在電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力性能參數(shù)匹配設(shè)計(jì)時(shí)，需符合本工況要求。

1.4" 電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力性指標(biāo)

根據(jù)道路設(shè)計(jì)規(guī)范、客車(chē)行駛工況，結(jié)合電動(dòng)客車(chē)應(yīng)用場(chǎng)景，電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力性指標(biāo)見(jiàn)表4。

2" 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的定義、組成及轉(zhuǎn)速特性

2.1" 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的定義

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)是指由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器及它們工作必需的輔助裝置的組合。通常來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)是指驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器兩部分。驅(qū)動(dòng)電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能為車(chē)輛行駛提供驅(qū)動(dòng)力的電氣裝置。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器是控制動(dòng)力電源與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間能量傳輸?shù)难b置[5]。

2.2" 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3" 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性

電動(dòng)客車(chē)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求是：爬坡時(shí)能提供較大轉(zhuǎn)矩，加速時(shí)能提供較大功率，并能提供較寬的調(diào)速范圍。驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理，是整車(chē)動(dòng)力性能首要考慮的問(wèn)題。驅(qū)動(dòng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下，以恒轉(zhuǎn)矩模式工作；在額定轉(zhuǎn)速以上，以恒功率模式工作[6]。

假設(shè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有理想的工作特性，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性曲線(xiàn)如圖3所示，nb為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速（基速）。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：

3" 整車(chē)主要參數(shù)及開(kāi)發(fā)流程圖

以8.1m純電動(dòng)客車(chē)為例，給出整車(chē)、動(dòng)力性參數(shù)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)與整車(chē)動(dòng)力性設(shè)計(jì)流程。

3.1" 整車(chē)主要參數(shù)（表5）

3.2" 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)與整車(chē)動(dòng)力性匹配流程分析

先從電動(dòng)客車(chē)行駛工況和整車(chē)動(dòng)力性要求出發(fā)，初步確定電機(jī)性能參數(shù)，再運(yùn)用MATLAB對(duì)整車(chē)動(dòng)力性進(jìn)行仿真分析直到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)與整車(chē)動(dòng)力性匹配設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

4" 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)客車(chē)行駛方程式：

由上面方程計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，以確保驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能滿(mǎn)足整車(chē)動(dòng)力性要求。

4.1" 驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)

本文中所引用的符號(hào)、單位及意義見(jiàn)表6。

4.1.1" 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速

根據(jù)整車(chē)最高車(chē)速計(jì)算電機(jī)最高轉(zhuǎn)速[7]：

依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般考慮最高車(chē)速對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為其最高轉(zhuǎn)速的90%～95%即可，所以電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax取3000r/min。

4.1.2" 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速

結(jié)合車(chē)輛用途，考慮城市工況，用常規(guī)車(chē)速（uae=40km/h）來(lái)計(jì)算電機(jī)額定轉(zhuǎn)速：

4.1.3" 額定功率

綜合考慮電動(dòng)客車(chē)使用工況，一般以整車(chē)在平直路面上的最高車(chē)速行駛時(shí)的需求功率為電機(jī)額定功率。另將道路坡度不高于4%、12%及最大爬坡坡度與所對(duì)應(yīng)車(chē)速所需的功率作為額定功率檢驗(yàn)值。

1）以最高車(chē)速行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需功率

2）按擬定車(chē)速能持續(xù)爬上一定坡度時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需功率

因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率能同時(shí)滿(mǎn)足上述的功率需求，即：

4.1.4" 額定轉(zhuǎn)矩

電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)額定功率進(jìn)行匹配。

4.1.5" 電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩

電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩一般出現(xiàn)在整車(chē)的爬坡和急加速工況。

1）最大爬坡度求Ttqimax

2）加速時(shí)間求轉(zhuǎn)矩Ttqjmax

當(dāng)電機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩輸出時(shí)，0—40km/h（電機(jī)基速對(duì)應(yīng)的車(chē)速）加速時(shí)間最短（設(shè)計(jì)要求是10s）。

經(jīng)上面計(jì)算可知：

4.1.6" 電機(jī)峰值功率

根據(jù)整車(chē)最大爬坡度和加速性能來(lái)計(jì)算電機(jī)的峰值功率[7]。

1）最大爬坡度（imax=20%@15km/h）時(shí)功率

2）加速性能計(jì)算電機(jī)峰值功率

當(dāng)整車(chē)車(chē)速對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速小于、等于電機(jī)基速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，電機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩輸出，此時(shí)車(chē)輛獲得的加速時(shí)間最短。

當(dāng)整車(chē)車(chē)速對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于電機(jī)基速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速在恒功率區(qū)，電機(jī)以最大功率輸出，此時(shí)車(chē)輛獲得的加速時(shí)間最短。由于加速過(guò)程電機(jī)輸出功率為恒功率，則整個(gè)加速過(guò)程的電機(jī)動(dòng)力輸出的平均功率與最大功率相同[8]，即

上式化簡(jiǎn)，得到計(jì)算電機(jī)最大功率公式：

0—40km/h（電機(jī)基速對(duì)應(yīng)的車(chē)速）加速時(shí)間為5.64s。

0—50km/h加速時(shí)間要求15s，40—50km/h區(qū)域?yàn)楹愎β蕝^(qū)，其加速時(shí)間為15-5.64=9.36s，此時(shí)電機(jī)最大功率66.0kW。

30—80km/h加速時(shí)間要求20s，0—30km/h恒轉(zhuǎn)矩區(qū)加速時(shí)間4.22， 30—40km/h為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)加速時(shí)間5.64-4.22=1.42s，40—80km/h區(qū)域?yàn)楹愎β蕝^(qū)，其加速時(shí)間為20-1.42=18.58s，此時(shí)電機(jī)最大功率163.1kW。

0—100km/h加速時(shí)間要求30s，40—100km/h區(qū)域?yàn)楹愎β蕝^(qū)，其加速時(shí)間為30-5.64=24.36s，此時(shí)電機(jī)最大功率221.2kW。

經(jīng)上文計(jì)算可以看出電機(jī)峰值功率取最大爬坡功率、加速時(shí)間功率的最大值，方能滿(mǎn)足要求，即：

所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率Pmax取值大于221.1kW。

4.1.7" 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)需滿(mǎn)足頻繁起/停、加/減速，符合低速大轉(zhuǎn)矩起步、爬坡，高速小轉(zhuǎn)矩行駛，具有寬廣調(diào)速范圍、功率密度大、效率高等特點(diǎn)。目前電動(dòng)客車(chē)常采用交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)，因此8.1m電動(dòng)客車(chē)最終選擇永磁同步電機(jī)、直驅(qū)，其參數(shù)見(jiàn)表7。

4.2" 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的匹配分析

電機(jī)控制器是電動(dòng)汽車(chē)核心零部件，決定了整車(chē)動(dòng)力性、可靠性、安全性。在其匹配設(shè)計(jì)時(shí)，要依據(jù)電機(jī)類(lèi)型、額定/峰值功率、額定/峰值轉(zhuǎn)矩、相電流及持續(xù)工作時(shí)間等參數(shù)以及動(dòng)力電池系統(tǒng)的電壓等，滿(mǎn)足輸出功率充足性、電流曲線(xiàn)合理性、制動(dòng)能量回饋平滑性，保證能發(fā)揮出所搭配驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力性。電機(jī)控制器與電機(jī)主要性能參數(shù)的匹配見(jiàn)表8。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]中相關(guān)要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)直流母線(xiàn)額定電壓取以下等級(jí)：36V、48V、60V、72V、80V、120V、144V*、168V、192V、216V、240V、264V、288V*、312V*、336V*、360V、384V*、408V、540V、600V*、650V、700V、750V（注：標(biāo)有*的為優(yōu)先等級(jí)）。

電動(dòng)客車(chē)常用電壓等級(jí)320V、400V、480V、500V、520V、540V、600V、650V。在輸出功率一定的條件下，電流會(huì)隨電壓升高而減少。電壓等級(jí)越高，獲取同等功率時(shí)電流越小，同時(shí)整車(chē)絕緣要求、車(chē)輛防護(hù)、線(xiàn)路絕緣等級(jí)及絕緣性能要求更高，成本也會(huì)相應(yīng)增加。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的額定/最大容量大于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定/峰值功率。本車(chē)型選用整車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)電壓為520V，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的參數(shù)見(jiàn)表9。

5" 運(yùn)用MATLAB對(duì)整車(chē)動(dòng)力性仿真分析及驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)裝車(chē)驗(yàn)證

建立整車(chē)動(dòng)力性數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用MATLAB對(duì)整車(chē)動(dòng)力性進(jìn)行仿真分析，并繪制相關(guān)函數(shù)曲線(xiàn)。

5.1" 最高車(chē)速仿真分析

最高車(chē)速是指在水平良好的路面（混泥土或?yàn)r青）上汽車(chē)能達(dá)到的最高行駛車(chē)速[9]。電動(dòng)客車(chē)最高車(chē)速取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和功率、動(dòng)力電池的放電功率以及客車(chē)的最小減速比。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)力曲線(xiàn)與行駛阻力曲線(xiàn)有交點(diǎn)，交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的車(chē)速便是汽車(chē)最高車(chē)速[10]，最高車(chē)速應(yīng)符合以下方程：

當(dāng)驅(qū)動(dòng)力始終大于行駛阻力時(shí)，驅(qū)動(dòng)力曲線(xiàn)與行駛阻力曲線(xiàn)無(wú)交點(diǎn)時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)的最高車(chē)速由電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速?zèng)Q定[10]，即

汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡如圖5所示，圖中最高車(chē)速為113km/h。

5.2" 最大爬坡度仿真分析

汽車(chē)的上坡能力是用滿(mǎn)載時(shí)汽車(chē)在良好路面上的最大爬坡度來(lái)表示。對(duì)于電動(dòng)客車(chē)，其最大爬坡度一般要求≥20%，電動(dòng)客車(chē)爬坡度的大小與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩特性和短時(shí)過(guò)載能力相關(guān)。

爬坡度曲線(xiàn)如圖6所示，圖中最大爬坡度為20.5%（@19.4km/h）。

5.3nbsp; 加速性能仿真分析

汽車(chē)的加速性能用加速時(shí)間來(lái)衡量，常用原地起步加速時(shí)間與超車(chē)加速時(shí)間來(lái)表明汽車(chē)的加速能力。電動(dòng)客車(chē)的加速性能由驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)性能和短時(shí)過(guò)載能力決定。由汽車(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)可知：

加速時(shí)間用計(jì)算機(jī)進(jìn)行積分計(jì)算或圖解積分法求出。下面提供一種測(cè)算指定車(chē)速加速時(shí)間的公式：

汽車(chē)加速度、加速時(shí)間曲線(xiàn)如圖7和圖8所示，0—50km/h、30—80km/h、0—100km/h加速時(shí)間分別為7.0s、10.7s、23.3s。

5.4" 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)裝車(chē)測(cè)試驗(yàn)證分析

通過(guò)上述對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)與整車(chē)動(dòng)力性計(jì)算、仿真分析，理論上符合整車(chē)技術(shù)要求；同時(shí)對(duì)整車(chē)動(dòng)力性指標(biāo)進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證，表明所匹配的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)滿(mǎn)足整車(chē)動(dòng)力性，符合設(shè)計(jì)要求。整車(chē)動(dòng)力性參數(shù)對(duì)比分析見(jiàn)表10。

6" 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)路況和客車(chē)行駛工況分析，運(yùn)用微分方程建立電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力性、驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)計(jì)算模型，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算、分析，并用MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明本匹配設(shè)計(jì)方案符合整車(chē)動(dòng)力性要求，為電動(dòng)客車(chē)的研究提供必要的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] CJJ 37—2012，城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012：23.

[2] JTG B01—2014，公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：人民交通出版社，2014：15.

[3] 中華人民共和國(guó)道路交通安全法注解與配套[Z]. 北京：中國(guó)法制出版社，2020：117.

[4] GB/T 38146.2—2019，中國(guó)汽車(chē)行駛工況第2部分：重型商用車(chē)輛[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2019：5.

[5] GB/T 18488.1—2015電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 第1部分 技術(shù)條件[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015：1.

[6] 王志福，張承寧. 電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)理論與設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016：44.

[7] 林程. 電動(dòng)汽車(chē)工程手冊(cè) 第一卷 純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020：56-57.

[8] 曾小華，王慶年，宋大鳳. 汽車(chē)功率需求的簡(jiǎn)單求解方法[J]. 吉林：吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，41（3）：613-617.

[9] 余志生. 汽車(chē)?yán)碚摚旱?版[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018：1.

[10] 崔勝民. 基于MATLAB的新能源汽車(chē)仿真分析[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2020：78.

（編輯" 楊" 景）