纯电动客车动力系统参数匹配与仿真分析*

李廷朋，封 进，张瑞宾，龙云泽，张顺兴

（桂林航天工业学院汽车工程学院，广西桂林 541004）

0 引言

随着新能源汽车关键技术的不断突破，新能源汽车的发展也逐步加快。纯电动客车相比传动客车在结构和性能方面均具有诸多优点[1-2]，因此纯电动客车也逐渐成为科研院所和汽车厂商的研究重点[3-5]。为了满足整车的动力性能与经济性能指标要求，在整车开发前期进行参数匹配与性能仿真分析研究具有相应的工程应用意义。杜常清等[6]通过对轻型纯电动客车设计了单级、双级以及四级变速器传动系统布置方案，通过对3种布置方案进行参数匹配并基于Cruise 软件进行动力性能和经济性能仿真分析，结果表明双级变速器具有最佳优势。屈进勇等[7]以某款纯电动客车为研究对象，并对其传动系统参数进行了选型和参数匹配，通过仿真分析研究以及样车试验，验证了动力系统参数匹配的合理性和结果的可靠性。在满足动力性能以及经济性能指标的要求下，进行动力系统关键部件选型和参数匹配并确定配置方案，通过仿真分析验证了仿真结果的合理性[8]。为获取最优动力部件参数匹配结果，建立以动力性和经济性为目标函数，通过运用遗传算法对传动系统传动比进行优化设计，并对匹配参数结果及优化设计方案的合理性进行了分析验证[9]。

本文基于某款纯电动客车整车参数与性能指标，对驱动电机、动力电池、传动比等主要动力部件进行了参数匹配，通过Cruise 软件仿真平台进行整车动力性能与经济性能仿真试验，仿真结果均能达到整车性能指标要求，同时也验证了整车动力传动部件参数匹配的合理性。

1 整车结构与基本参数

1.1 纯电动客车整车结构

纯电动客车与传统燃油客车在底盘结构上相比，由于采用驱动电机代替了发动机，因此在结构上相对更加简单，主要动力部件为动力电池、驱动电机、主减速器、差速器等部分组成[10]，其动力系统结构如图1所示。

图1 纯电动客车基本结构

1.2 纯电动客车基本参数

依据纯电动客车整车基本参数及性能指标，进行整车关键动力部件的参数匹配和选型分析，从而得到整车传动系统部件仿真基本参数，纯电动客车整车参数如表1所示。

表1 纯电动客车整车参数

整车性能仿真分析指标主要考虑整车的动力性与经济性，动力性主要以最高车速、加速时间及最大爬坡度作为评价指标，经济性主要以NEDC 工况续航里程和40 km/h 等速续航里程作为评价指标，整车性能指标如表2所示。

表2 纯电动客车性能指标

2 关键动力部件参数匹配

纯电动客车动力系统参数匹配的结果将影响整车的动力性能和经济性能，也为整车关键动力部件的选型分析提供依据。文中通过运用整车建模仿真分析的方法来验证动力系统关键动力部件参数匹配的合理性，同时可以有效地减少整车的开发周期，较好地提升整车的动力性能与经济性能。

2.1 驱动电机参数匹配

驱动电机作为纯电动客车唯一的动力源，其参数匹配设计要满足整车性能指标要求。根据汽车理论相关知识，可以得出整车需要满足最高速度、加速时间、爬坡性能3 项指标要求[11]。通过满足3 项性能指标要求可以匹配所需驱动电机相关参数[12]。

驱动电机机必满足整车最高车速性能指标要求，纯电动客车以最高车速行驶所需要满足的功率Pa为：

式中：m为满载质量，kg；f为滚动阻力系数；Cd为空气阻力系数；A为迎风正面面积，m2；umax为最高行驶车速，km/h；η为机械传动效率。

根据整车的最高车速以及各项参数可得Pa=94.46 kW。

纯电动客车以某一车速爬上最大坡度消耗的功率Pb为：

式中：up为电动客车爬坡时的行驶速度，km/h；αmax为最大坡度角，αmax=arctani。

将所预设的最大爬坡度以及各项参数代入上式中：当up=30 km/h，爬坡度i=24%时，Pb=182.33 kW。

纯电动客车在水平路面上加速行驶消耗的功率Pc为：

式中：δ为汽车旋转质量换算系数取1.1；uf为电动客车加速后达到的速度，km/h；du/dt为加速度。

将所预设的参数0～50 km/h 的加速时间为20 s，代入式中可得Pc=101.28 kW。

因此，驱动电机应该满足以上消耗功率要求，驱动电机峰值功率Pemax应满足：

电动机的峰值功率和额定功率之间的关系为：

式中：λ为电机的过载系数，一般取值为2～3，文中取值为2。

驱动电机峰值功率为Pemax≥max{94.46 kW；182.33 kW；101.28 kW}=182.33 kW。由于考虑到纯电动客车行驶工况复杂多变，为了能使整车发挥相应的动力性能，同时不造成一定的功率浪费，应具有一定的最大功率余量来满足实际驾驶需求，因此峰值功率Pemax=200 kW，额定功率Pe=100 kW，驱动电机基本参数如表3所示。

表3 电机基本参数

2.2 动力系统传动比设计

合理匹配纯电动客车动力系统传动比能够更充分发挥电机性能。传动系统传动比能够起到减速增扭的作用，从而提升整车的动力性能，来应对爬坡、起步等大扭矩需求工况[13]。

传动系统传动比的上限由电动机最高转速和最高行驶速度确定如下：

代入参数得出传动比上限imin≤7.32。

电动机的最高转速对应的输出转矩和最高行驶车速对应的行驶阻力确定传动比的下限如下式所示：

式中：Tumax为电动机最大输出转矩，N·m。

将参数代入上式可得imax≤3.48。

因此，主减速的传动比3.48≤i0≤7.32，初步定为i0=7。

2.3 动力电池参数匹配

动力电池的容量要满足行驶里程的要求，电压要满足驱动电机工作电压的要求。目标车辆的性能指标要求在40 km/h 等速续航里程要大于300 km。通过下式可计算出电池的容量：

式中：Em为电机所消耗的能量，kW·h；T为工况下持续的时间，h；ηm为电机的工作效率，取值97%。

代入参数可得：P40=18.46 kW；Em=142.73 kW·h。

纯电动客车也应该考虑到其他低压电气所消耗的能量。低压附件电气消耗的功率Plow=2 kW，故纯电动客车在等速40 km/h循环工况下空调及低压附件电气消耗的能量为：

式中：Elow为电动客车低压附件所消耗的能量，kW·h；ηDC为电动客车DC/DC转换器的效率，取96%。

将参数代入式中计算可得Elow=15.63 kW·h。

所以，纯电客车以等速40 km/h 循环工况下，行驶300 km所消耗的能量即为电池组的总能量为：

式中：E为电池组的总能量，kW·h；ηD为电池的放电深度，为90%。

将参数代入式中计算可得：E=158.63 kW·h，初步取值175.45 kW·h。

动力电池的额定容量的表达式为：

式中：Ce为电池组的额定容量，A·h；Ue为电池组的额定电压，V。

将参数代入式中计算可得Ce=288.09 A·h，初步取值342 A·h。在锂离子电池中由于磷酸铁锂电池具有高安全性和高比能量特性，比较适合运用于纯电动客车上，文中选定动力电池组额定电压550.62 V，单体标称电压为3.22 V，动力电池组基本参数如表4所示。

表4 动力电池组参数

3 整车建模与性能仿真

3.1 纯电动客车整车模型建立

纯电动客车仿真模型建立基于Cruise 软件仿真平台，分别建立整车模块、动力电池模块、驱动电机模块、减速器模块、车轮模块、驾驶室模块等相关参数的设定[14]。同时对各个模块之间建立机械连接和电气连接，最后完成所需仿真循环工况的设置[15]，所建立的整车仿真模型如图2所示。

图2 纯电动客车仿真模型

3.2 整车性能仿真

整车的动力性能和经济性能是评价其性能优劣的关键因素。动力性能仿真评价指标主要有最高车速、加速时间和最大爬坡度，经济性能仿真评价指标主要为NEDC 工况和等速40 km/h循环工况。

3.2.1 动力性能仿真分析

整车目标最高车速设定为100 km/h，仿真结果如图3 所示，结果表明纯电动客车的最高车速为103 km/h，符合设计要求。考虑到客车的行驶工况，整车加速时间设定为0～50 km/h加速过程。通过进行仿真分析，仿真结果如图4 所示，结果表明纯电动客车的加速时间为12.38 s，结果符合设计要求。

图3 最高车速仿真结果

图4 加速时间性能仿真结果

在全负荷条件下，整车以30 km/h 速度行驶时的最大爬坡度来作为仿真工况。图5 所示为纯电动客车的爬坡性能仿真结果，仿真结果满足整车目标设定值。表5 所示为整车动力性能设计目标值与仿真结果的对比，从表中可以看出，纯电动客车的最高车速、加速时间、最大爬坡度3 项性能指标均符合设计指标的要求，也验证了整车动力系统关键部件参数匹配结果的合理性。

图5 爬坡度仿真结果

表5 设计目标值与仿真结果比较

3.2.2 经济性能仿真分析

整车经济性能仿真分析为NEDC 循环工况和40 km/h 等速循环工况。为防止动力电池因过度放电而减少电池寿命，设定在电池SOC低于10%的情况下，结束整车循环工况任务。

整车NEDC循环工况仿真结果如图6所示，仿真结果表明，在NEDC循环工况整车续航里程满足设计指标要求。

图6 NEDC循环工况续航里程

图7 所示为纯电动客车在40 km/h 等速循环工况下的仿真结果，结果表明整车在40 km/h 等速循环工况下的续航里程符合设计指标要求。

图7 等速40 km/h 循环工况续航里程

表6 所示为纯电动客车的经济性能设计指标与仿真结果对比，结果表明，整车在NEDC 循环工况和40 km/h 等速循环工况下续航里程均能满足设计指标要求，验证了动力系统参数匹配的合理性。

表6 设计目标值与仿真结果比较

4 结束语

基于纯电动客车整车参数和性能指标，对整车的驱动电机、动力系统传动比以及动力电池关键动力部件进行了参数匹配设计。在整车参数匹配设计的基础上，通过运用Cruise 软件分别建立整车模块、动力电池模块、驱动电机模块、主减速器模块、车轮等模块，并完成相应信号线的连接以及仿真任务的设置，最终完成整车仿真模型的搭建。以整车的最高车速、加速时间、最大爬坡度作为整车动力性能评价指标，以NEDC 循环工况和40 km/h 等速循环工况作为整车经济性能评价指标。仿真结果表明整车的动力性能和经济性能符合设计指标要求。仿真结果为后续进行纯电动客车参数匹配设计提供了研究基础。