纯电动城市客车动力系统参数匹配及仿真研究2013.3.31全解

纯电动城市客车动力系统参数匹配及仿真研究汤峰邱静(安徽交通职业技术学院汽车与机械工程系，安徽合肥230051)摘要：在分析纯电动城市客车的基本技术参数和设计要求，进行驱动系统结构型式以及驱动体统电机基础选型，对驱动电机主要参数分析计算并确定选型，建立动力系统数学模型，通过仿真试验验证动力系统设计与电机选型方案的可行性。关键词：纯电动城市客车；动力系统；蓄电池；参数匹配；仿真AStudyontheParametersMatchingandSimulationofPowerSystemForPureElectricCityBusTangFengQiuJing(FacultyofMachineryandAutomobileEngineering，AnhuiCommunicationsVocationalandTechnicalCollege，AnhuiHefei，230051，China)Abstract:Accordingtotheanalysisofthetechnicalparametersanddesignrequirementsforpureelectriccitybus,Structureofthedrivesystemandmotorparametersarebeingmatched,Calculatinganddeterminingthemainparametersofthedrivemotor,Establishmathematicalmodelofthepowersystem,ToverifythefeasibilityofdesignaboutthepowersystemandMotorselectionthroughthesimulationresult.Keywords:Pureelectriccitybus;Powersystem;Battery;parametermatching;Simulation0引言纯电动城市客车具有零污染有害气体排放、能量利用的效率高、废弃热量排放少、声噪小、制动能回馈利用高等诸多方面的优点，其在城市公交、大巴等公共交通领域具有极强的开发应用意义[1]。纯电动城市客车动力系统的驱动电机、动力蓄电池的基础选型在研究过程中往往是凭开发设计人员的经验来确定，开发周期较长。通过对动力系统进行分析计算，并确定其参数，用仿真建模来验证参数的合理性能够大大的缩短研发周期[2]。1整车基本参数要求与基础选型根据实际纯电动城市客车设计要求，整车基本参数要求如下表1所示。表1整车技术参数要求整车参数最高车速80km/h轴数2驱动型式4×2后轮驱动轮胎规格275/70R22.5轮胎数6整备质量13800kg最大总质量18000kg外部尺寸参数车辆长12m车辆宽2.5m车辆高3.150m轴距6.1m轮距（前/后）2.096/1.840m前悬/后悬2.620/3.280m通过性参数最小转弯直径≤21.7m最小离地间隙(㎜)≥0.16m接近角≥7°离去角≥7°主减速比5.63采用原有的公交车后桥，通过驱动电机直接连接将动力传递至到后桥，由驱动电机的无级变速功能实现整车的自动变速，省掉变速箱环节，降低了成本的同时并大大减少了整车故障率，并因此能够缩短新车型的研发时间[3]。驱动系统结构形式如图1所示。图1驱动系统结构形式综合考虑直流电机、交流异步电机、永磁电机、开关磁阻电机的优点与可靠性，选用三相交流异步电机作为整车的动力源，选用磷酸铁锂电池作为车辆的储能元件[4]。2电机主要参数的匹配2.1最高车速约束条件下的电机需求功率综合考虑纯电动客车在城市工况下的行驶条件，50%以上时间是以50Km/h以下的车速行驶，电机功率的选择应平衡于电机工作效率与期望最高车速的权重。根据客车设计经验公式[5]：)36007614036003600(113TdtdumuAuCGiuGfuPaaDaamδη其中，单级减速主减速器96.0Tη；车辆满载工况下G=18000Kg×9.8N/kg；一般城市路面滚动阻力系数取f=0.020；最高车速hKmua/80；设车辆在平坦的路况下取i=0；空气阻力系数取7.0DC；迎风面积A=62m；加速度0dtdu。因此求得在满载情况下最高车速时车辆的需求功率eP110.9KW，考虑到电机过载能力以及城市工况下的实际车速应低于理论设计最大车速80km/h,实际选择的电机功率取经验参数0.9，则电机所需实际功率可选择额定功率为100KW。当半载荷且最高车速时车辆的实际所需功率为eP104KW，0.9×eP=93.6KW，此时选取的电机额定功率满足要求[6]。2.2起步加速时间约束条件下的电机需求功率根据汽车理论计算公式[5]：322av5132)(2tδM2ffDafrvbfmVACVgfMVVP其中，旋转质量系数δ取1.05；车辆的总质量vM(kg)，按设计参数取180000；期望起步加速时间at在满载加速时间从0-50km所需的时间取25s；相应电机基速下车速bV（m/s），设基速为950rpm,对应的车速8.9m/s；车辆加速后的终速fV（m/s）13.89m/s,此时对应电机为1478rpm；一般城市里面工况下轮胎的滚动阻力系数rf取0.020；空气密度a取1.202kg/3m；滚动半径r取0.505m。第一项表示用于加速车辆质量的功率；第二项和第三项分别表示克服轮胎滚动阻力和空气阻力所需的平均功率。满足加速时间的需求功率在不同的载荷下，求得满载时满2mP137.6KW，半载时半2mP125KW。选取100KW电机的过载能力系数为2.5，即短时间过载功率为额定功率的2.5倍，过载时间最大可为1min，即在250KW功率下运行1min，因此选择该款额定功率为100KW电机即可满足要求。2.3爬坡度为15%时电机需求扭矩dtdumAuCGiGfriiTaDTgtq15.2120设爬坡时速为au=20km/h（此时电机转速为591rpm）;dtdum=0；求得，满载时需求扭矩满tqT=2315N·M，满载时需求扭矩半tqT=2123N·M。因此选择电机的最大扭矩为2400N·M，可以满足要求。当为2400N·M且满载时，爬坡度为12.5%当为2400N·M且半载时，爬坡度为13.8%2.4最高车速下电机需求扭矩当满载时dtdumAuCGiGfriiTaDTgtq15.2120，其中Gi=0;dtdu=0tqT448N·M此时电动机的转速为2365rpm当半载时377tqTN·M此时电动机的转速为2365rpm因此车辆在最高车速时，电机扭矩需求为448N·M。2.5最高车速下电机的最大转速由0377.0iirnuga，得到riiunga377.00=2365rpm，因此选择电机的最大转速为2400r/min，可以满足要求。2.6额定功率下基速时，确定电机的额定转矩由Pe=9550jenT可知Te=jenP9550=9501009550=1005N·M，其中，Pe=100KW，nj=950rpm。综上所述，选择电机的额定功率为100KW即电机Pe=100KW，峰值功率为250KW即Pmax=250KW，最大扭矩为2400N·M即Tmaxtq=2400N·M,最高转速为2400rpm即nmax=2400rpm,电机扭矩需求420N·M即Trpmtq2400=420N·M。在此基础上得到驱动电机的特性曲线如图2所示[7]。图2驱动电机特性曲线3建立仿真模型使用AVLCRUISE与MATLABSimlink两款软件进行联合仿真。在CRUISE环境下设定各独立模块的参数，在MATLAB环境下写入动力系统的控制策略，通过MatlabAPI接口相互通信，实现扭矩控制。建立仿真模型，主要使用的模块有车辆总成、电池、电机、主减、差速器、制动器、车轮、驾驶室、能耗单元、与Matlab进行联合仿真的接口以及监视器[8]。在Cruise里搭建完成仿真模型后，根据整车技术参数表，将数据输入仿真模型中，输出电机的转速-扭矩图和转速-扭矩-效率图，如图3，图4所示。图3电机的转速-扭矩图图4电机的转速-扭矩-效率图如图3所示，在电机转速为975r／min时，进入恒扭矩与恒功率的切换位置，其正、负区域的驱动与电机特性符合实际要求。图4说明在高速小扭矩时电机效率快速进入高效区[9]。蓄电池模块所模拟的是动力蓄电池组总容量与行驶中的电池容量变化情况，充、放电SOC线，如图5、图6所示。充电SOC线放电SOC线充电SOC线放电SOC线图5蓄电池模块充电SOC线图充电SOC线放电SOC线充电SOC线放电SOC线图5蓄电池模块放电SOC线图驾驶室模块主要包括踏板特性、制动力分配及换档类型等，其踏板自身特性曲线如图6所示。图6踏板自身特性曲线仿真数据输出，最高车速、最大爬坡度、起步加速时间如图7、图8、图9所示。图7最高车速仿真输出界面图8最大爬坡度仿真输出界面图9加速时间仿真结果输出界面仿真结果分析，通过各仿真输出数据，最高车速为86km/h大于理论设计最大车速80km/h，最大爬坡度为17.6%大于国标中12%的爬坡度标准，0-50km起步加速时间为17.44秒优于设计标准[10]。4结语分析整车基本参数要求，进行驱动系统结构型式以及驱动体统电机基础选型，对驱动电机主要参数分析计算并初步确定，对动力系统进行建模与仿真，验证基础选型数据的正确性，为纯电动城市客车的后续开发提供了理论基础，并为其它相关车型开发工作提供了动力系统基础选型数据验证工作。参考文献[1]刘新田.基于有限元的汽车车架静态分析[J].上海工程技术大学学报，2007，6:112-116.[2]吴心平.纯电动客车底盘结构参数匹配的研究[J].汽车工程，2010,7:56-60.[3]廖发良.汽车动力性与经济性模拟计算分析[J].公路与汽运,2010,7:1O-13.[4]鲁莽,周小兵,张维.国内外电动汽车充电设施发展状况研究[J].华中电力,2010,5:16—2O.[5]余志生.汽车理论[M]第5版.北京:机械工业出版社,2009.[6]ChangxianCheng,JianhuaYan.AdvancesinElectronicEngineering,CommunicationandManagementVo1.2[M].Berlin：Springer,2012,289-294.[7]袁苑,钱立军.基于CRUISE中型纯电动客车动力匹配仿真[J].农业装备与车辆工程,2012,5:15-18.[8]王少凯.基于Cruise和Matlab的纯电动客车联合建模与仿真[J].客车技术，2011,2：15-18.[9]CychowskiM，SzabatK，Orlowska-KowalskaT．ConstrainedModelPredictiveControloftheDriveSystemwithMechanicalElasticity[J]．IEEETransactionsofIndustrialElectronics，2009，56(6)：l963-1973.[10]王钰童.纯电动客车动力传动系参数匹配及整车性能研究[D].长春：吉林大学，2008.作者简介：汤峰(1980-)，男，江苏南通人，安徽交通职业技术学院汽车与机械工程系讲师，硕士，研究方向：车辆工程。基金项目1：安徽省省级开放实训基地（汽车与机械实训中心），项目编号：20101597，项目主持人，汤峰基金项目2：汽车类技能紧缺应用型人才培养模式创新实验区，项目编号：200907154722，项目主持人，杨柳青