孫貴斌，楊云東，王　耀，曹競輝

(廈門理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

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純電動客車驅(qū)動電機選型及優(yōu)化仿真

孫貴斌，楊云東，王耀，曹競輝

(廈門理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

基于中國典型城市循環(huán)工況下對純電動客車驅(qū)動電機進行選型優(yōu)化，利用CRUISE仿真軟件搭建整車模塊，對驅(qū)動電機選型優(yōu)化前后分別進行整車性能仿真.結(jié)果表明：對純電動客車驅(qū)動電機選型優(yōu)化較合理，優(yōu)化后整車在中國典型城市循環(huán)工況下百公里耗電量下降4.1%，續(xù)駛里程增加4.6%，勻速40 km·h-1工況下百公里耗電量下降4.2%，續(xù)駛里程增加8.5%.

純電動客車；驅(qū)動電機；選型優(yōu)化；循環(huán)工況；續(xù)駛里程

新能源汽車作為國家重點發(fā)展戰(zhàn)略，在我國已得到快速發(fā)展[1-3].與傳統(tǒng)汽車相比，純電動汽車在節(jié)能環(huán)保方面具有較大優(yōu)勢，成為新能源汽車重點發(fā)展方向之一.目前，由于電力驅(qū)動、動力電池等關(guān)鍵技術(shù)方面還未成熟，使得純電動汽車續(xù)駛里程較短，制約了純電動汽車的發(fā)展與普及.續(xù)駛里程作為電動汽車首要經(jīng)濟性能指標，如何提高續(xù)駛里程成為國內(nèi)外電動汽車研究的主要目標.為增加純電動汽車續(xù)駛里程，需要提高能量利用率，降低能量損耗.目前，研究者主要從純電動汽車傳動系統(tǒng)合理匹配、驅(qū)動電機及最優(yōu)控制策略、電池能量管理技術(shù)和能量回收等方面進行研究[4]，而驅(qū)動電機作為純電動汽車系統(tǒng)關(guān)鍵部件，在整車能量損耗占很大比例，因此，合理匹配驅(qū)動電機、提高電機效率，對于提高能量利用率，增加續(xù)駛里程具有重要作用.本文基于中國典型城市循環(huán)工況下確定某型6.6 m純電動客車驅(qū)動電機所需的額定轉(zhuǎn)速和額定功率，對驅(qū)動電機進行選型優(yōu)化，以合理匹配驅(qū)動電機，提高整車性能.

1　整車基本參數(shù)與性能指標設(shè)計要求

電動汽車的性能指標包括整車動力性指標和續(xù)駛里程.動力性指標主要包括3個方面:最高車速、加速時間、最大爬坡度[5].針對設(shè)計的某型國產(chǎn)6.6 m純電動客車進行關(guān)鍵部件的選型和匹配.整車基本參數(shù)與性能指標設(shè)計要求如表1和表2所示.

表1　整車基本參數(shù)

表2　純電動客車性能指標

2　驅(qū)動電機的選型

目前，電動汽車驅(qū)動電機主要是根據(jù)整車的性能指標設(shè)計要求并依據(jù)理論公式來確定電機的基本參數(shù)，從而對驅(qū)動電機進行選型匹配.驅(qū)動電機的基本參數(shù)包括峰值功率、額定功率、額定轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩以及最大轉(zhuǎn)矩.

2.1峰值功率和額定功率的確定

電動汽車以最高設(shè)計車速在路況良好的道路上行駛時需要克服滾動阻力和空氣阻力，根據(jù)最高車速Vmax確定驅(qū)動電機所需最大功率Pmax,1，即

(1)

電動汽車在一定車速下以最大爬坡度爬坡行駛時需要克服坡度阻力、滾動阻力和空氣阻力，根據(jù)爬坡性能確定驅(qū)動電機所需最大功率Pmax,2，即

(2)

式(2)中：Vp為爬坡速度，15 km·h-1，其它參數(shù)見表1.

電動汽車在水平良好的路面上加速行駛過程中需要克服滾動阻力、空氣阻力和加速阻力，根據(jù)加速性能確定驅(qū)動電機所需最大功率Pmax,3，即

(3)

式(3)中：Va為加速過程中任意時刻速度，其它參數(shù)見表1.

根據(jù)表1和表2整車基本參數(shù)和性能指標要求，由式(1)(2)可得驅(qū)動電機所需要的功率:Pmax,1=70.9 kW,Pmax,2=53.5 kW.在式(3)中，由于電動汽車在加速過程中，車速在不斷變化，加速度會不斷降低，導(dǎo)致加速阻力減小，空氣阻力隨著車速增高而不斷增大，整車的需求功率也在變化.為了滿足整車的加速性能，通常擬合一條加速曲線[6]，在Matlab/Simulink中搭建公式(3)的模塊，通過擬合的加速曲線求出加速時所需整車功率.圖1為加速需求功率Simulink模型圖.

查找Scope模塊，可知整車需求功率在13 s之前迅速增加，達到118.7 kW,13 s之后需求功率趨于平衡，可得到純電動客車在加速行駛過程中所需要的最大功率Pmax,3=118.7 kW.

電機所需要的最大功率驅(qū)動電機的峰值率必須同時滿足上述情況，可以得到驅(qū)動電機的峰值功率，峰值功率Pmax≥Pmax，i(i=1,2,3)，即Pmax≥118.7 kW,取驅(qū)動電機的峰值功率Pmax=120 kW.電機的過載系數(shù)取值范圍為2～3，且該車以100 km·h-1的車速在水平道路上行駛時所需要的功率Pmax,1=70.9 kW,取電機的過載系數(shù)為2，電機的額定功率為Pe=60 kW.

2.2最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的確定

驅(qū)動電機的最高轉(zhuǎn)速一般由整車性能指標要求中的最高車速確定，即：

(4)

將表1和表2的相關(guān)參數(shù)代入式(4)中可以得到，nmax≥ 3 836 r·min-1，取驅(qū)動電機的最高轉(zhuǎn)速為nmax=4 000 r·min-1.由電機的擴大恒功率區(qū)系數(shù)β=nmax/ne的取值范圍一般為2～3，且該電動客車常規(guī)車速為50 km·h-1時電機轉(zhuǎn)速為1 918 r·min-1,取電機的額定轉(zhuǎn)速為ne=2 000 r·min-1.

2.3額定轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩的確定

驅(qū)動電機的最大轉(zhuǎn)矩需要滿足兩方面要求：一是滿足電動汽車起步加速時轉(zhuǎn)矩要求；二是滿足電動汽車在一定車速下以最大爬坡度爬坡行駛時的轉(zhuǎn)矩要求.通常情況下，爬坡行駛時對驅(qū)動電機的最大轉(zhuǎn)矩要求更高.

驅(qū)動電機的最大轉(zhuǎn)矩以設(shè)計的最大爬坡度行駛時的要求確定.電動汽車以一定車速爬坡行駛時，需要克服滾動阻力、空氣阻力和坡度阻力，即：

(5)

根據(jù)表1和表2相關(guān)參數(shù)帶入式(5)可得，Tmax≥887.5 N·m，取驅(qū)動電機的最大轉(zhuǎn)矩為Tmax=900 N·m.

驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)矩可根據(jù)功率-轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩關(guān)系公式求取，即

(6)

將相關(guān)參數(shù)帶入式(6)中可得，Te=286 N·m，取驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)矩Te=300 N·m.

3　驅(qū)動電機選型優(yōu)化

驅(qū)動電機是純電動汽車的核心部件，電機的選型影響著電動汽車的動力性和經(jīng)濟性[7].電機在工作過程中一般應(yīng)滿足電機機械特性.電機運行區(qū)域分為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)間和恒功率區(qū)間，其中電機轉(zhuǎn)速運行在額定轉(zhuǎn)速附近的區(qū)域稱為電機的高效區(qū)間.當電機運行在高效區(qū)間時電機的能量損耗降低，這不僅有利于提高電動汽車的動力性，而且能夠增加電動汽車的續(xù)駛里程.然而，長期以來，電動汽車驅(qū)動電機的選型匹配，主要是根據(jù)整車基本參數(shù)和整車性能設(shè)計指標要求并依據(jù)理論公式來確定電機的基本參數(shù)，這種選型方法很可能會使選型的驅(qū)動電機運行時脫離高效區(qū)間，導(dǎo)致不必要的能量損耗.

基于中國典型城市循環(huán)工況對驅(qū)動電機進行選型優(yōu)化，能夠使電機的工作點與電機的高效區(qū)間相匹配[8].國內(nèi)已有學(xué)者進行了相關(guān)研究：林鑫焱[9]研究電機內(nèi)部損耗和基于NEDC工況來匹配電機，王禺寒[10]通過研究國外十種工況確定電機的額定功率.但這些研究主要是針對電動汽車進行研究，本文基于中國典型城市循環(huán)工況，針對6.6 m純電動客車驅(qū)動電機進行選型優(yōu)化.中國典型城市循環(huán)工況如圖2所示.

把基于中國典型城市循環(huán)工況得到的需求功率劃分為幾個區(qū)間，每個區(qū)間功率差為20 kW，即[0,20],[20,40],[40,60],[60,80]等區(qū)間.圖3為需求功率圖.

利用MATLAB軟件對工況點進行頻率統(tǒng)計，得到各區(qū)間所占比例分別為：[0,20]區(qū)間13.6%，[20,40]區(qū)間34.6%，[40,60]區(qū)間30.5%，[60,80]區(qū)間15.4%，80 kW以上區(qū)間5.9%.需求功率在[0，80]區(qū)間所占比例達到94.1%.

對電機的需求功率進行加權(quán)取平均值[11].功率加權(quán)公式為

(7)

式(7)中：x1，…，xi為功率加權(quán)系數(shù)，取值不同功率不同；p1，…，pi為需求功率，與各區(qū)間功率差有關(guān),pi=ip1，p1=20 kW.因需求功率在[20-40],[40-60]區(qū)間所占比例較大，取i=4.根據(jù)不同的加權(quán)系數(shù)可得到功率值，如表3所示.

表3　不同加權(quán)系數(shù)下的功率和轉(zhuǎn)速

把基于中國典型城市循環(huán)工況得到的電機需求轉(zhuǎn)速劃分為[0,500]，[500,1 000]，[1 000,1 500]，[1 500,2 000]，[2 000,2 500]等區(qū)間，轉(zhuǎn)速差為500 r·min-1.圖4為需求轉(zhuǎn)速圖.

利用MATLAB軟件對轉(zhuǎn)速點進行頻率統(tǒng)計，得到各區(qū)間所占比例分別為[0,500]區(qū)間7.2%，[500,1 000]區(qū)間12.6%,[1 000,1 500]區(qū)間26.7%，[1 500,2 000]區(qū)間32.8%，[2 000,2 500]區(qū)間11.4%，2 500 r·min-1以上區(qū)間為9.3%.轉(zhuǎn)速在[500,2 500]所占比例最大，為83.5%.

對驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)速進行加權(quán)取平均值，轉(zhuǎn)速加權(quán)公式為

(8)

式(8)中：y1，…，yi為轉(zhuǎn)速加權(quán)系數(shù)；n1，…，ni為需求轉(zhuǎn)速，與各區(qū)間轉(zhuǎn)速差有關(guān),ni=in1，n1=500 r·min-1.由于在[500,2 500]區(qū)間所占比例較大，取i=4.根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速加權(quán)系數(shù)可得到需求轉(zhuǎn)速值，如表3所示.

選型優(yōu)化后匹配的驅(qū)動電機的基本參數(shù)為：額定功率50kW,峰值功率120kW，額定轉(zhuǎn)速1 750r·min-1,最高轉(zhuǎn)速4 000r·min-1,額定扭矩250N·m，最大扭矩900N·m.

4　動力電池參數(shù)匹配

確定動力電池參數(shù)需要考慮電池能量和最大輸出功率,確保電動汽車的動力性與續(xù)駛里程[12].動力電池的匹配與等速續(xù)駛里程要求有關(guān).等速續(xù)駛里程是指電池在額定容量條件下，在良好路面上等速行駛時能夠行駛的距離.續(xù)駛里程的計算公式為

(9)

式(9)中:S為續(xù)駛里程；Vd為等速工況下的行駛速度，40 km/h；W為動力電池總能量；P為等速行駛時整車消耗能量；ηe為電機和電機控制器的傳動效率.

由整車性能設(shè)計指標要求，并依據(jù)GB/T 18386—2005《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》相關(guān)要求,選擇單體電壓為3.6 V,電池組電壓為500 V,單體容量為30 A·h,電池組容量為120 A·h的鋰離子動力電池，電池組數(shù)目為560個，連接方式為4并聯(lián)140串聯(lián).

5　整車性能仿真

應(yīng)用CRUISE軟件對整車性能進行仿真,對驅(qū)動電機選型優(yōu)化前后整車動力性能和續(xù)駛里程進行對比.在CRUISE軟件中建立整車仿真模型,如圖 5所示.

在CRUISE項目文件中設(shè)置仿真任務(wù)，輸入中國典型城市循環(huán)工況數(shù)據(jù)，仿真任務(wù)包括在中國典型城市循環(huán)工況下的百公里綜合耗電量和等速40 km·h-1工況下運行時的百公里耗電量.仿真結(jié)果可查找CRUISE中CRUISE.log文件.

該車驅(qū)動電機選型優(yōu)化前后在中國典型城市循環(huán)工況和等速40 km·h-1工況下百公里耗電量和續(xù)駛里程如表4所示.

表4　優(yōu)化前后仿真結(jié)果對比

6　結(jié)語

依據(jù)理論公式對驅(qū)動電機進行選型，并在中國典型城市循環(huán)工況下對驅(qū)動電機的選型進行優(yōu)化，匹配另一款能在高效區(qū)間運行的驅(qū)動電機.采用CRUISE軟件搭建了該電動客車的仿真模型，對選型優(yōu)化前后匹配的兩款不同驅(qū)動電機整車性能分別進行仿真.仿真結(jié)果表明：在中國典型城市循環(huán)工況下整車百公里耗電量下降4.1%，續(xù)駛里程增加4.6%，勻速40 km·h-1工況下百公里耗電量下降4.2%，續(xù)駛里程增加8.5%.

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[3]楊峰,傅俊.純電動汽車經(jīng)濟性比較與分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(信息與管理工程版)，2009,31(2):286-288.[4]姬芬竹,高峰,周榮.電動汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計和續(xù)駛里程研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2003,25(3):426-428.

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(責任編輯李寧)

Optimization of the Pure Electric Bus Motor Selection

SUN Guibin,YANG Yundong,WANG Yao,CAO Jinghui

(School of Mechanical & Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China)

To optimize the selection of motors on pure electric buses working in driving cycles in a typical Chinese city，a vehicle module was built using CRUISE software，and vehicle performance simulations were made before and after optimization of the drive motor model.The results show that the motor model is well optimized，with a 4.1% kilowatt-hour decrease and a 4.6% decrease of fuel-range in driving cycles in a typical Chinese city，a decrease of 4.2% kilowatt-hour decrease and a 8.5% increase of fuel-range at uniform speed of 40 km·h-1.

pure electric bus;drive motor;optimization of selection;driving cycle;driving range

2016-03-16

2016-06-14

孫貴斌(1964-),男，高級工程師，碩士，研究方向為新能源客車技術(shù)及應(yīng)用.E-mail:yupei-2008@163.com

U469.72

A

1673-4432(2016)03-0006-06