纯电动城市客车动力系统参数匹配及仿真研究2013.4.6全解

1、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A Study on the Parameters Matching and Simulationof Power System For Pure Electric City BusTang Feng Qiu Jing(

2、Faculty of Machinery and Automobile Engineering， Anhui Communications Vocational andTechnical 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 b

3、eing matched,Calculat ingand determ ining the mainparameters of the drive motor, Establish mathematical model of the power system,To verify the feasibility of design about the power system and Motor select ion through the simulati on result.KeywordsPure electric city bus;Power system;Battery;paramet

4、er matchi ng; Simulatio n0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11开发应用意义。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21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。1整车基本参数要求与基础选型1所示。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整车参数最咼车速80km/h轴数2驱动型式4x 2后轮驱动轮胎规格2

5、75/70R22.5轮胎数6整备质量13800 kg最大总质量18000 kg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 0.16m接近角 7 离去角 7 主减速比5.63表1整车技术参数要求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，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。驱动系统结构形式如图 1所示。由驱动电机的无障率，并因此能够缩短新车型的研发时间图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

6、电机、开关磁阻电机的优点与可靠性，选用三【4。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【5:31 ,Gfua Giua CD Aua S mua du、 ( a a D a a ) nT 3600 3600761403600dt其中，单级减速主减速器 nT =0.96 ；车辆满载工况下 G=18000KgX 9.8N/kg ;一般城市路面滚动阻力系数

7、取f=0.020 ;最高车速ua =80Km/h ；设车辆在平坦的路况下取i=0 ;空气阻力系数取CD =0.7 ；迎风面积A=6m2 ；加速度du =0。dt因此求得在满载情况下最高车速时车辆的需求功率巳=110.9KW,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 Pe =104KW 0.9 X Fe=93.6KW,此时选取的电机额定功率满足要求冋。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:SM 22213巳2=

8、止(VfVb ) MvgfrVf 丄 CdAM2ta35其中，旋转质量系数 S取1.05 ;车辆的总质量 Mv(kg)，按设计参数取180000;期望起步加速时间ta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 Vb ( m/s),设基速为950rpm,对应的车速8.9m/s ;车辆加速后的终速 Vf (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fr取0.020 ;空气密度叮取1.202kg/ m3 ;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

9、均功率。满足加速时间的需求功率在不同的载荷下，求得满载时巳2满=137.6KW,半载时巳 2 半=125KW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r=Gf Gi2CD Auadt21.15pl.设爬坡时速为Ua=20km/h （此时电机转速为 591rpm） ; md- =0；dt求得，满载时需求扭矩 满=2315N - M满载时需求扭矩 半=2123N M 因此选择电机的最大扭矩为2400N M

10、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Ttqigio tCd Au a duduGf Gi - -、m ,其中 Gi =0;=0r21.15 dtdtT；q二448N M此时电动机的转速为 2365rpm当半载时T；q =377NM此时电动机的转速为 2365rpm因此车辆在最咼车速时，电机扭矩需求为448N Md2.5最高车速下电机的最大转速丄0.377r nu-igio由U-，得到 n =2365rpm,因此选 择电机 的最大转速为igio0.377r2400r/min，可以满足

11、要求。2.6额定功率下基速时，确定电机的额定转矩由 P e = Te可知 Te= 955QFe =9550 l2=1005N M 其中，Pe=100KVy nj=950rpm。9550950J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 Ttqmax =2400N M,最高转速为 2400rpm 即 nmax =2400rpm, 电机扭矩需求-420N M即Ttq2400rpm =420N - 在此基础上得到驱动电机的特性曲线如图2所示7。十遐305粒予可OQ100015003X02500转速廨饰图2

12、驱动电机特性曲线3建立仿真模型使用AVL CRUISE与MATLAB Simlink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境下写入动力系统的控制策略，通过Matlab API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。0.010C6.050-010050100-0loose150.Q1

13、005.0SWR1W&.G2S0.010CS.OW0.Q1HK0350.010050400.01005,00.01005.0500血JOOS.O550.01005.0图3电机的转速-扭矩图-6fe0 A砒lOJabc曲40.0H牺4104JM7SlM;0j沁375n,o陕4.(5JS-0L5Q.0ILfi.7575.0isauoS?3.37573-0320-0QO5-032Q.D1CH.6JB752,375益mo.n.oj411.75.S3.0EQ-0K34375au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。图4说明

14、在高速小扭矩时电机效率快速进入高效区: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。3.43.2) W.T闌3=.on q 2.-D753-.8D 2.8052.72mH1.052.9$7IDOX30.D40 山 D.O713. BDH QD.0ab.02.30.352.460.92.531.042.551.382.561.732.572.062.64Z.-422.722,773.112.B43.462.892畑J Idlle Voltacje - Discha State of Charge图5蓄电池模块充电SOC线图D IDO 20.

15、D 3D.D 0.006U.0 ?B.O0 100.1：営加3.14$-9.1M-9.ii2r3 res3D0i3-.Q52.S9Iqa.m2.7142.CISS3 .-SOU2.33?2.47ft2.41D1.30 .s宙-*s卡ato亠(JrOZr36 1a.62.471.22.551.8ZrM2-42.992.733.592r764.192-79*4.792.835,39Zr865.W盒e6.592.9 和图5蓄电池模块放电SOC线图充电SOC线 充电SOC线放电SOC线 放电SOC线图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。es0 &0(

16、43 710 00965 St0 Q0im 2D 001609 270 001931 130 DO22E2 SS0 DO2574 S30 002996 6$0 003218 S40 GOMeasuredSpeedSpeed Rat ioMaxinuM Clmbing CapacityMeasuredG&arMax Incl i na t lcidVelocitySpeedSpeed Rat io117.601.0032.190 00图8最大爬坡度仿真输岀界面Velocity1G 0020.003Q 0040 0050 00W 00QDM 0090 00100 00图9加速时间仿真结果输出界面仿

17、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%勺爬坡度标准，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

18、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，2010,7:10-13.4 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 20.5 余志生.汽车理论M第5版.北京：机械工业出版社,2009.6 Changxian Cheng,JianhuaYan.Advances in Electronic Engineering,Communication and ManagementVo1.2M.Berlin : Springer,2012,289-294.7 袁苑,钱立军.基于CRUISE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 Cychowski M Szabat K， Orlowska-Kowalska T. Constrained Model Predictive Control of the Drive System with Mecha