純電動(dòng)城客車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及仿真研究20131全解

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 Simulationusof Power System For Pure Electric CityQiu Jing, Anhui Comm

2、unications Vocational andTang Feng(Faculty of Machinery and Automobile EngineeringTechnical College , Anhui Hefei , 230051, China)AbstractAccording to the analysis of the technical parameters and design requirements for pure electric city bus,Structure of the drive system and motor parameters are be

3、ing 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.KeywordsPure electric city bus;Power system;Battery;parameter

4、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)的開發(fā)應(yīng)用意義。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)選型在研究過程中往往是憑開發(fā)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)來確定，開發(fā)周期較長(zhǎng)。通過對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，并確定其參數(shù)，用仿真建模來驗(yàn)證參數(shù)的合理性能夠大大的縮短研發(fā)周期。1整車基本參數(shù)要求與基礎(chǔ)選型1所示。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)要求如下表表1整車技術(shù)參數(shù)要求整車參數(shù)最局車速80km/h軸數(shù)2驅(qū)動(dòng)型式4X2后輪驅(qū)動(dòng)輪胎規(guī)格2

5、75/70R22.5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 性參 數(shù)最小轉(zhuǎn)彎直徑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)形式4O綜合考慮直流電機(jī)、 交流異步電機(jī)、永磁電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)

6、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2電機(jī)主要參數(shù)的匹配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%A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5：3z Gfua GiuaCD Aua6 mua du、Pm1 =()tt 3600 3600761403600 dt其中，單級(jí)減速主減速器 nT =0.96；車輛滿載工況下 G=18000KgX 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ua =80Km/h ；設(shè)車

7、輛在平坦的路況下取 i=0 ;空氣阻力系數(shù)取CD -0.7 ； 2迎風(fēng)面積A=6m ；加速度曳=0。dt因此求得在滿載情況下最高車速時(shí)車輛的需求功率Pe = 110.9KW,考慮到電機(jī)過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Pe=104KVV 0.9 X Pe=93.6KW,此時(shí)選取的電機(jī)額定功率滿足要求。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 ：匕2 =(Vf2 Vb2) 2MvgfrVf 1 MCDAfVf3 2ta35

8、其中，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù) 8取1.05 ;車輛的總質(zhì)量 Mv(kg),按設(shè)計(jì)參數(shù)取180000;期望起步加速時(shí)間ta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 Vb ( m/s),設(shè)基速為950rpm,對(duì)應(yīng)的車速8.9m/s ;車輛加速后的終速 Vf (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)fr取0.020 ；空氣密度Pa取1.202kg/ m3 ;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)

9、Pm 2滿=137.6KW,半載時(shí)Pm2 半=125KW選取100KW電機(jī)的過載能力系數(shù)為 2.5 ,即短時(shí)間過載功率為額定功率的 2.5倍，過載 時(shí)間最大可為1min ,即在250KW率下運(yùn)行1min,因此選擇該款額定功率為 100KWt機(jī)即 可滿足要求。爬坡度為15%時(shí)電機(jī)需求扭矩=Gf GiCDAu21.15du、mdtdu設(shè)爬坡時(shí)速為 Ua=20km/h （此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為 591rpm） ; 6m-=0； dt求得，滿載時(shí)需求扭矩 Ttq滿=2315N-M,滿載時(shí)需求扭矩Ttq半=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

10、12.5%當(dāng)為2400N - M且半載時(shí)，爬坡度為13.8%最高車速下電機(jī)需求扭矩當(dāng)滿載時(shí)Ttqigi。tCdAu2dudu 八=Gf +Gi +D-+6m，其中 Gi =0; =0r21.15dtdtTtq = 448N - M此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為 2365rpm 當(dāng)半載時(shí)Ttq =377 Nl- M此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為 2365rpm因此車輛在最tWj車速時(shí)，電機(jī)扭矩需求為448N Md最高車速下電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速工 0.377rnuaigi。由ua = ，得至U n = =2365rpm ,因此選擇電機(jī)的取大轉(zhuǎn)速為igi00.377rg 2400r/min ,可以滿足要求。額定功率下基速時(shí)，確定

11、電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩由 P e = Te-L 可矢口 Te=9550Pe = 9550 M 100 =1005N. M 其中，Pe=100KVy n j =950rpm。e 9550 enj950ej綜上所述，選擇電機(jī)的額定功率為100KW即電機(jī) Pe=100KVV峰值功率為 250KW即Pmax=250KW大扭矩為 2400N - M 即 Ttqmax =2400N - M,最高轉(zhuǎn)速為 2400rpm 即 nmax =2400rpm, 電機(jī)扭矩需求 420N - M即Ttq2400rpm =4202 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。驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性曲統(tǒng) 12D0工正面窗JL H-UL

12、JJD 2DIn nJIn4圖2驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性曲線3建立仿真模型使用AVL CRUISE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 MATLA酬境下寫入動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略，通過 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abc0

13、1。L樽小BSSrOj期二乃r舉Q334.O62S L舟口曲口410.75 rJS.D血哨痔73,0o.a r的刀皿口wws r02-0320jDKB.375 rffi.0320.031明葡s rS3.0血口41B,7S 拿四320.0略5圖4電機(jī)的轉(zhuǎn)速-扭矩-效率圖f M口圖3所示EV電機(jī)轉(zhuǎn)速為 975r/min時(shí)、進(jìn)入恒扭矩與恒功率的切換位置、其正、負(fù)區(qū)域的罌動(dòng)巨舟杷特處箱翕實(shí)際!續(xù)。圖4說明在高速小扭矩時(shí)電機(jī)效率快速進(jìn)入高效區(qū)口魯電池模蝴刑莫擬舲是動(dòng)力蓄電池組總?cè)萘颗c行駛中的電池容量變化情況，充、放電俄，如圖5、J.ST3.43平手3.2J3.T4*3.DHq 2.11752.SD5ST

14、S2.434Z.65才賓2.3951DJ3 2D.D 3D.D 40 J0 與0力 6D.D 710.D 田口0 fID.O IDDIb.02.30.35Z.4B口,的2.531.042.5531.382.561,732.572.082.64Z.422.7Z2.77IS3112L自43.463,e12.892.92充電SOC線 充電SOC線J Idlle Voltaige - Disch-ar9e圖5蓄電池模塊充卷-SOC!圖 今放電SOC線 放電SOC線propertlas.r.圖5蓄電池模塊放電SOC線圖圖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

15、所示。圖7最高車速仿真輸出界面MaxinuM Clmbing CapacityMeasuredGear Malt Inclinat ion VelocitySpeed Speed Rt io117.6G1.0032.190.00( t/h1n Ml es0 00&43 710 000 QQim 420的1S09 270 001931 130 M22E2 SS0 DO2574 S30 B02996 6$0 003218 S40 GOMeasuredSpeed Speed Bit io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velocity4ne00 20.00 3。00 40 00

16、 50 00-stroo 7。0。oe oo q。oo 1口。oo仿真結(jié)果分析，通過各仿真輸出數(shù)據(jù)，最高車速為86km/h大于理論設(shè)計(jì)最大車速 80km/h, 最大爬坡度為17.6%大于國(guó)標(biāo)中12%勺爬坡度標(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)阿。4結(jié)語分析整車基本參數(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)開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)，并為其它相關(guān)車型開發(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)

17、大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,6:112-116.2吳心平.純電動(dòng)客車底盤結(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)性模擬計(jì)算分析J.公路與汽運(yùn),2010,7:10-13.4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，2010,5:1620.5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袁電，錢立軍.基于CRUIS葉型純電動(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 T. Constrained Model Predictive Control of the Drive System with Mechanical Elastici