龚婵媛

（江苏科技大学 苏州理工学院，张家港 015600）

0 引言

汽车排放的尾气给环境带来了巨大的压力，中国城市空气污染物有60%来自于汽车尾气，而汽车尾气污染的40%以上来自于城市公交车尾气。由于纯电动公交车具有零污染、零排放的优点，所以研发纯电动城市客车不失为解决城市空气污染问题的重要途径之一[1]。本文以纯电动客车为依托，通过仿真技术的研究，对纯电动客车的性能特点作了深入了解，建立了整车模型、车轮模型、主减速器模型、变速器模型、电动机及驱动器模型等，对所建立的动力系统进行了仿真分析，结果验证了动力系统各元件的参数匹配的合理性。

1 动力系统匹配设计

纯电动客车的动力系统主要包括：电动力、蓄电池、传动系统和控制系统四个部分[2]。驱动整车的能量全部为电能，蓄电池组向电机供电，电机将电能转化为机械能驱动汽车行驶，当汽车制动时，电机也可以作为发电机，在回收制动能量时发电，再对蓄电池组充电。参照北京奥运纯电动客车BK6122EV2的标准[3]，确定本车型各项性能指标如下：最高车速≥80km/h，0～50km加速时间≤25，最大爬坡速度（满载）≥20%，续航里程≥150km，制动距离（空载/满载）≤9km/h/≤10km/h。

1.1 电机的匹配计算

电动机为纯电动客车提供了行驶的动力，为了能够使客车在低速、爬坡的状态下平稳行驶，电动机需要提供较大的转矩。在客车加速的过程中，电动机需提供较大的功率。在匹配电动机时，主要考虑电动机的额定功率、峰值功率、额定转速和峰值转速。

计算电动机功率时，需要参照电动客车的最大爬坡度imax(%)、最高车速umax(km/h) 、初速度u0(km/h)～末速度ut(km/h)所需时间T(s)来计算出电动机功率。先后计算出客车以最高速度umax(km/h)行驶时电机需提供的功率Pmax1=68.6kW、在最大坡度上行驶时所需功率Pmax2=139.4kW、客车在加速时所需达到的功率Pmax3=67.6kW。而电动机输出的最大功率P必须要同时满足上述三种情况，即满足式(1)：

根据上述公式，综合考虑纯电动客车承载客量、内部电器设备的能量消耗等，最终选择峰值功率为150lkW的永磁同步电动机。

1.2 传动系参数的计算

电动客车的传动比是由变速器决定的，在匹配变速器时，需要确定变速器是几档，各个档位的传动比是多少。纯电动客车的电动机转速范围较大，所以档位可以适当减少，最终确定纯电动客车匹配两档变速器。经过计算得出最小传动比、最大传动比分别为imin=1，imax=4.5。通过最高车速和最大爬坡度验算校核，两档均满足要求。因此确定匹配两档变速器，其传动比如表1所示。

表1 变速器传动比数据

1.3 动力电池选型

为电动机提供能量的唯一部件就是蓄电池组，理论上电池容量越大，客车续航能力越强。但电池容量越大，其质量和体积也会越大。因此，在选择蓄电池时要综合考虑它的容量、体积、质量和性能。

通过分析技术，结合市场情况，选择天空能源公司的磷酸铁锂电池组作为本系统的动力电池组，其各性能参数如表2所示。

表2 蓄电池参数

2 仿真模型的建立

为了验证设计模型，应用软件进行仿真建模和分析是非常必要的。由美国可再生能源实验室（NREL）研发的高级车辆仿真软件ADVISOR，能够对纯电动汽车的各种性能进行快速模拟试验。ADVISOR有三个界面，分别是整车参数输入界面、仿真参数输入界面和仿真运行结果界面。

在整车参数输入界面，可以根据需要选择动力传动系统配置及对其参数进行设置。在对整车模型、车轮模型、主减速器模型、变速器模型、电机模型、蓄电池模型等参数进行输入，并修改相关m文件参数之后。以整车模块为例，本模块与要输入的参数是：仿真步长结束时的车速、系统提供的驱动力和线速度。输出的参数是：车辆需要的驱动力和实际速度。

整车m文件需要修改的数据：

veh_description=’bishe Vehicle’；%汽车的描述

veh_CD=0.56；%风阻系数

veh_FA=6.3；%迎风面积（m2）

veh_cg_height=0.725；%质心高度（m）

veh_front_wt_frac=0.36；%前轴荷占整车质量的百分比

veh_wheelbase=6.3；%轴距（m）

veh_glider_mass=14500-1344-78-50；%车辆滑行质量（kg）

veh_cargo_mass=3500；%最大装载质量（包括乘员）（kg）

整车模块结构图如图1所示。

最终建立的纯电动客车仿真模型如图2所示。

图1 整车模块结构

图2 纯电动客车仿真模型

3 仿真结果分析

目前评价整车性能主要有CYC_ECE_EDUC_LOW、CYC_UDDS和CYC_CONSTANT-60三种循环工况。CYC_ECE_EDUC_LOW是欧洲和我国排放法规测试的典型工况之一，该工况仿真时间1224s，行驶里程10.59km，平均车速31.11km/h，最高车速90km/h，在仿真行驶过程中，共停车13次。车速仿真结果如图3所示，循环需求曲线（蓝色曲线）与实际车速（红色曲线）较为吻合，客车在规定工况上行驶情况良好。电池的SOC值变化如图4所示，开始阶段，由于电池的放电极化现象致使SOC值下降严重，在SOC值达到0.88左后，电池会在趋于平稳的区域内工作。

图3 速度与时间关系图

图4 SOC值随时间变化图

纯电动客车的重要性能指标之一就是续航里程。本文在CYC_ECE_EDUC_LOW循环工况和50km/h等速工况中对纯电动客车进行仿真，得出其续航里程。如图5所示。

在50km/等速仿真情况下，不考虑外部环境及驾驶员的干扰，模拟车辆在平坦的公路上以50km/h的速度行驶，在ADVISOR中设置蓄电池的放电深度为80%，即当蓄电池的SOC值小于0.2时停止输出电能，纯电动客车停止。

根据图5可以得出以下结论：蓄电池的SOC值与纯电动客车的行驶里程基本呈线性关系，并随着客车行驶里程增加而减小，当蓄电池的SOC值减小到0.2时，客车行驶里程不再发生变化，这意味着客车停止。在50km/h等速工况下，纯电动客车的最大行驶里程为156.6km，满足设定的性能要求。

图5 续驶里程

图6 电机功率仿真结果

图6是纯电动客车在CYC_UDDS工况中仿真时，电机输出功率随时间变化曲线，可以看出电机输出的最大功率大约为150kW，符合电机的峰值功率。

4 结论

针对一款纯电动城市客车，，根据其动力性能指标和整车参数，计算出各主要元件需要满足的参数，完成了动力系统元件的型式匹配。在ADVISOR软件中建立了动力系统仿真模型，对车速、SOC值、续驶里程、电动机功率等仿真结果进行了分析，验证了动力系统匹配方案的合理性。

[1] 王少凯.基于Cruise软件的纯电动城市客车的建模与仿真[J].客车技术与研究,2011,2:10-12.

[2] 曾小华,宫维钧.ADVISOR 2002电动汽车仿真与再开发应用[M].北京:机械工业出版社,2014.

[3] 林程,王砚生,孟祥峰.奥运纯电动大客车技术与应用[M].北京理工大学出版社.2008.

[4] 张光亚.城市电动客车动力系统匹配及电机控制器设计[D].吉林大学.2007.