純電動(dòng)城市客車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及仿真研究2013331

1、純電動(dòng)城市客車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及仿真研究 湯峰 邱靜(安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機(jī)械工程系，安徽合肥 230051)摘要：在分析純電動(dòng)城市客車的基本技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式以及驅(qū)動(dòng)體統(tǒng)電機(jī)基礎(chǔ)選型，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要參數(shù)分析計(jì)算并確定選型，建立動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與電機(jī)選型方案的可行性。關(guān)鍵詞：純電動(dòng)城市客車；動(dòng)力系統(tǒng)；蓄電池；參數(shù)匹配；仿真A Study on the Parameters Matching and Simulation of Power System For Pure Electric City BusTang Feng Qiu Jin

2、g(Faculty of Machinery and Automobile Engineering， Anhui Communications Vocational and Technical College，Anhui Hefei，230051，China)Abstract:According to the analysis of the technical parameters and design requirements for pure electric city bus,Structure of the drive system and motor parameters are b

3、eing matched,Calculating and determining the main parameters of the drive motor, Establish mathematical model of the power system,To verify the feasibility of design about the power system and Motor selection through the simulation result.Keywords:Pure electric city bus;Power system;Battery;paramete

4、r matching;Simulation0 引言純電動(dòng)城市客車具有零污染有害氣體排放、能量利用的效率高、廢棄熱量排放少、聲噪小、制動(dòng)能回饋利用高等諸多方面的優(yōu)點(diǎn)，其在城市公交、大巴等公共交通領(lǐng)域具有極強(qiáng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用意義1。純電動(dòng)城市客車動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力蓄電池的基礎(chǔ)選型在研究過(guò)程中往往是憑開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，并確定其參數(shù)，用仿真建模來(lái)驗(yàn)證參數(shù)的合理性能夠大大的縮短研發(fā)周期2。1 整車基本參數(shù)要求與基礎(chǔ)選型根據(jù)實(shí)際純電動(dòng)城市客車設(shè)計(jì)要求，整車基本參數(shù)要求如下表1所示。表1 整車技術(shù)參數(shù)要求整車參數(shù)最高車速80km/h軸數(shù)2驅(qū)動(dòng)型式4×

5、;2后輪驅(qū)動(dòng)輪胎規(guī)格275/70R22.5輪胎數(shù)6整備質(zhì)量13800 kg最大總質(zhì)量18000 kg外部尺寸參數(shù)車輛長(zhǎng)12m車輛寬2.5m車輛高3.150m軸距6.1m輪距（前/后）2.096/1.840m前懸/后懸2.620/3.280m通過(guò)性參數(shù)最小轉(zhuǎn)彎直徑21.7m最小離地間隙()0.16m接近角7°離去角7°主減速比5.63 采用原有的公交車后橋，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接連接將動(dòng)力傳遞至到后橋，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)的無(wú)級(jí)變速功能實(shí)現(xiàn)整車的自動(dòng)變速，省掉變速箱環(huán)節(jié)，降低了成本的同時(shí)并大大減少了整車故障率，并因此能夠縮短新車型的研發(fā)時(shí)間3。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。圖1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形

6、式綜合考慮直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、永磁電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)與可靠性，選用三相交流異步電機(jī)作為整車的動(dòng)力源，選用磷酸鐵鋰電池作為車輛的儲(chǔ)能元件4。2電機(jī)主要參數(shù)的匹配2.1最高車速約束條件下的電機(jī)需求功率 綜合考慮純電動(dòng)客車在城市工況下的行駛條件，50%以上時(shí)間是以50Km/h以下的車速行駛，電機(jī)功率的選擇應(yīng)平衡于電機(jī)工作效率與期望最高車速的權(quán)重。根據(jù)客車設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式5：其中，單級(jí)減速主減速器；車輛滿載工況下G=18000Kg×9.8N/kg； 一般城市路面滾動(dòng)阻力系數(shù)取f=0.020；最高車速；設(shè)車輛在平坦的路況下取i=0；空氣阻力系數(shù)??；迎風(fēng)面積A=6；加速度。因此求得在滿載情

7、況下最高車速時(shí)車輛的需求功率110.9KW，考慮到電機(jī)過(guò)載能力以及城市工況下的實(shí)際車速應(yīng)低于理論設(shè)計(jì)最大車速80km/h,實(shí)際選擇的電機(jī)功率取經(jīng)驗(yàn)參數(shù)0.9 ，則電機(jī)所需實(shí)際功率可選擇額定功率為100KW。當(dāng)半載荷且最高車速時(shí)車輛的實(shí)際所需功率為104KW，0.9 ×=93.6KW，此時(shí)選取的電機(jī)額定功率滿足要求6。2.2起步加速時(shí)間約束條件下的電機(jī)需求功率根據(jù)汽車?yán)碚撚?jì)算公式5：其中，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)取1.05；車輛的總質(zhì)量(kg)，按設(shè)計(jì)參數(shù)取180000；期望起步加速時(shí)間在滿載加速時(shí)間從0-50km所需的時(shí)間取25s；相應(yīng)電機(jī)基速下車速（m/s），設(shè)基速為950rpm,對(duì)應(yīng)的車速8

8、.9m/s；車輛加速后的終速（m/s）13.89m/s,此時(shí)對(duì)應(yīng)電機(jī)為1478rpm；一般城市里面工況下輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)取0.020；空氣密度取1.202kg/；滾動(dòng)半徑r取0.505m。第一項(xiàng)表示用于加速車輛質(zhì)量的功率；第二項(xiàng)和第三項(xiàng)分別表示克服輪胎滾動(dòng)阻力和空氣阻力所需的平均功率。滿足加速時(shí)間的需求功率在不同的載荷下，求得滿載時(shí)137.6KW，半載時(shí)125KW。 選取100KW電機(jī)的過(guò)載能力系數(shù)為2.5，即短時(shí)間過(guò)載功率為額定功率的2.5倍，過(guò)載時(shí)間最大可為1min ，即在250KW功率下運(yùn)行1min，因此選擇該款額定功率為100KW電機(jī)即可滿足要求。2.3爬坡度為15%時(shí)電機(jī)需求扭矩

9、設(shè)爬坡時(shí)速為=20km/h（此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為591rpm）; =0； 求得，滿載時(shí)需求扭矩=2315N·M，滿載時(shí)需求扭矩=2123N·M。 因此選擇電機(jī)的最大扭矩為2400N·M，可以滿足要求。當(dāng)為2400N·M且滿載時(shí)，爬坡度為12.5%當(dāng)為2400N·M且半載時(shí)，爬坡度為13.8%2.4最高車速下電機(jī)需求扭矩當(dāng)滿載時(shí)，其中=0; =0 448N·M此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為2365rpm當(dāng)半載時(shí)N·M 此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為2365rpm因此車輛在最高車速時(shí)，電機(jī)扭矩需求為448N·M。2.5最高車速下電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速由 ，

10、得到 =2365rpm，因此選擇電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為2400r/min，可以滿足要求。2.6額定功率下基速時(shí)，確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩 由 P= 可知T=1005N·M，其中，P=100KW，n=950rpm。 綜上所述，選擇電機(jī)的額定功率為100KW即電機(jī)P=100KW，峰值功率為250KW即Pmax=250KW，最大扭矩為2400N· M即T=2400N· M,最高轉(zhuǎn)速為2400rpm即n=2400rpm,電機(jī)扭矩需求420N·M即T=420N·M。在此基礎(chǔ)上得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特性曲線如圖2所示7。圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性曲線3 建立仿真模型使用AVL CRU

11、ISE與MATLAB Simlink兩款軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真。在CRUISE環(huán)境下設(shè)定各獨(dú)立模塊的參數(shù)，在MATLAB環(huán)境下寫(xiě)入動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略，通過(guò)Matlab API接口相互通信，實(shí)現(xiàn)扭矩控制。建立仿真模型，主要使用的模塊有車輛總成、電池、電機(jī)、主減、差速器、制動(dòng)器、車輪、駕駛室、能耗單元、與Matlab進(jìn)行聯(lián)合仿真的接口以及監(jiān)視器8。在Cruise里搭建完成仿真模型后，根據(jù)整車技術(shù)參數(shù)表，將數(shù)據(jù)輸入仿真模型中，輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)速-扭矩圖和轉(zhuǎn)速-扭矩-效率圖，如圖3，圖4所示。 圖3 電機(jī)的轉(zhuǎn)速-扭矩圖圖4 電機(jī)的轉(zhuǎn)速-扭矩-效率圖 如圖3所示，在電機(jī)轉(zhuǎn)速為975rmin時(shí)，進(jìn)入恒扭矩與恒功率的

12、切換位置，其正、負(fù)區(qū)域的驅(qū)動(dòng)與電機(jī)特性符合實(shí)際要求。圖4說(shuō)明在高速小扭矩時(shí)電機(jī)效率快速進(jìn)入高效區(qū)9。蓄電池模塊所模擬的是動(dòng)力蓄電池組總?cè)萘颗c行駛中的電池容量變化情況，充、放電SOC線，如圖5、圖6所示。圖5 蓄電池模塊充電SOC線圖圖5 蓄電池模塊放電SOC線圖 駕駛室模塊主要包括踏板特性、制動(dòng)力分配及換檔類型等，其踏板自身特性曲線如圖6所示。圖6 踏板自身特性曲線仿真數(shù)據(jù)輸出，最高車速、最大爬坡度、起步加速時(shí)間如圖7、圖8、圖9所示。圖7 最高車速仿真輸出界面圖8 最大爬坡度仿真輸出界面圖9 加速時(shí)間仿真結(jié)果輸出界面仿真結(jié)果分析，通過(guò)各仿真輸出數(shù)據(jù)，最高車速為86km/h大于理論設(shè)計(jì)最大車速

13、80km/h，最大爬坡度為17.6%大于國(guó)標(biāo)中12%的爬坡度標(biāo)準(zhǔn)，0-50km起步加速時(shí)間為17.44秒優(yōu)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)10。4 結(jié)語(yǔ)分析整車基本參數(shù)要求，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式以及驅(qū)動(dòng)體統(tǒng)電機(jī)基礎(chǔ)選型，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要參數(shù)分析計(jì)算并初步確定，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，驗(yàn)證基礎(chǔ)選型數(shù)據(jù)的正確性，為純電動(dòng)城市客車的后續(xù)開(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)，并為其它相關(guān)車型開(kāi)發(fā)工作提供了動(dòng)力系統(tǒng)基礎(chǔ)選型數(shù)據(jù)驗(yàn)證工作。參考文獻(xiàn)1劉新田.基于有限元的汽車車架靜態(tài)分析J.上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，6:112-116.2吳心平.純電動(dòng)客車底盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配的研究J.汽車工程，2010,7:56-60.3廖發(fā)良.汽車動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)

14、性模擬計(jì)算分析J.公路與汽運(yùn),2010,7:1O-13.4魯莽,周小兵,張維.國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車充電設(shè)施發(fā)展?fàn)顩r研究J.華中電力,2010,5:162O.5余志生.汽車?yán)碚揗第5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.6Changxian Cheng,Jianhua Yan.Advances in Electronic Engineering,Communication and Management Vo1.2M.Berlin：Springer,2012,289-294.7袁苑,錢(qián)立軍.基于CRUISE中型純電動(dòng)客車動(dòng)力匹配仿真J.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2012,5:15-18.8王少凱.基于Cruise和Matlab的純電動(dòng)客車聯(lián)合建模與仿真J.客車技術(shù)，2011,2：15-18.9Cychowski M，Szabat K，Orlowska-Kowalska TConstrained Model Predictive Control of the Drive System with Mechanical ElasticityJIEEE Transactions of Industrial Electron