張紅，鄭澤亮，孟國慶（中通客車控股股份有限公司，山東聊城252000）

某8 m純電動客車動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計及仿真分析

張紅，鄭澤亮，孟國慶
（中通客車控股股份有限公司，山東聊城252000）

以自主研制的某款8 m純電動客車為對象，對動力傳動系統(tǒng)參數(shù)進行匹配設(shè)計；基于Cruise軟件建立其模型并進行仿真分析。結(jié)果表明，設(shè)計的8 m純電動客車滿足設(shè)計要求。

純電動客車；動力系統(tǒng)；參數(shù)設(shè)計；仿真分析

電動汽車以其噪聲小、零排放等優(yōu)點成為理想的交通工具，是21世紀的重要交通工具和清潔汽車技術(shù)的最佳解決方案[1-2]。近幾年政府高度關(guān)注新能源汽車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，在國家政策的倡導(dǎo)和支持下，新能源汽車的研發(fā)及示范推廣迅速發(fā)展，尤其是電動客車發(fā)展迅速。

1 動力傳動系參數(shù)確定

純電動客車動力系統(tǒng)主要由電機、動力電池、變速器及后橋等組成。設(shè)計的8 m純電動客車總質(zhì)量10 690 kg、滾動半徑0.412 m、迎風(fēng)面積6 m2；要求最高車速大于75 km/h、0～50 km/h加速時間小于19 s、最大爬坡度大于20%、續(xù)駛里程大于150 km。根據(jù)汽車理論相關(guān)知識對動力系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進行初步設(shè)計。

1.1 電機參數(shù)設(shè)計

由功率平衡可知，電動機的功率越大，則電動客車的后備功率越多，加速和爬坡性能越好，但同時電動機的體積和質(zhì)量會增加，而且電動機不能經(jīng)常工作在峰值功率附近，出現(xiàn)大馬拉小車的現(xiàn)象，使電動機的效率下降。因此，電動機的功率不應(yīng)選擇太大，應(yīng)根據(jù)整車性能合理設(shè)計。

首先，電機功率的選擇必須滿足純電動客車最高車速的要求，驅(qū)動電機功率應(yīng)大體等于但不小于設(shè)計最高車速行駛時行駛阻力功率之和[3-6]。

式中：vmax=75 km/h；ηt為傳動系效率，取值95%；f為滾動阻力系數(shù)，f=0.007 6+0.000 056×vmax；CD為空氣阻力系數(shù)，取0.55；A為迎風(fēng)面積，取值6 m2。

其次，在水平良好路面上，設(shè)計的純電動客車0～50 km/h加速時間小于19 s，加速消耗的功率如下：

式中：v為速度，取值50 km/h；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取值1.01。

最后，驅(qū)動電機扭矩應(yīng)滿足車輛爬坡性能的要求。按照設(shè)計要求最大爬坡度大于20%確定驅(qū)動電機扭矩下限Tmax_h。

式中：r為輪胎半徑，取值0.421 m；i0為主減速比，取值5.86；v1為爬坡時車速，取值10 km/h。

所以電動機的最大功率Pmax及最大扭矩Tmax需滿足：Pmax≥max（PmaxiPa）=130 kW，Tmax≥1 645 N·m。

結(jié)合對比8 m純電動客車常用的電機類型，最終選擇了某型號電機，電機最大功率133 kW，最大扭矩2 070 N·m。

1.2 傳動比的選擇

電動機的啟動轉(zhuǎn)矩很大，可以實現(xiàn)低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率的工作模式，并且容易實現(xiàn)無級調(diào)速，所以8 m純電動客車常選擇固定速比變速器。根據(jù)電動汽車最高車速和最大爬坡度的要求可分別求出傳動系速比的最大和最小值。

首先，應(yīng)該滿足最高車速的要求，根據(jù)電動機最高轉(zhuǎn)速和最高行駛車速確定傳動系速比上限。

式中：vmax為最高車速，取值75 km/h；r為車輪半徑，取值0.421 m；nmax為電機最高轉(zhuǎn)速，8 m純電動客車電機最高轉(zhuǎn)速經(jīng)驗值取值范圍2 800～3 000 r/min，本文中nmax取2 900 r/min。

其次，滿足電動客車在最高車速時仍能輸出的最大功率，確定傳動系速比的下限。

it≥0.377 rnep/vmax=4.23，從而4.23≤i0≤6.01

式中：it=ig·i0，i0為主減速器速比，ig為傳動系速比，數(shù)值取1；nep為最高功率點轉(zhuǎn)速，8 m純電動客車電機最高功率點轉(zhuǎn)速，經(jīng)驗值取值范圍2 000～3 000 r/min，本文nep取2 000 r/min。

結(jié)合對比8 m純電動客車常用的后橋類型及后橋速比取值范圍，最終選擇某型號后橋，速比為5.86。

1.3 電池容量選擇

電池容量主要保證純電動客車的動力性及續(xù)駛里程，可根據(jù)最大輸出功率和續(xù)駛里程來確定[6]。采用勻速法初步計算續(xù)駛里程，后續(xù)設(shè)計應(yīng)用國標中規(guī)定的工況來仿真校核續(xù)駛里程[7]。

按照國標要求[8]，在道路上按照V=40 km/h的等速行駛計算整車行駛阻力。設(shè)定為無風(fēng)狀態(tài)，在水平道路上等速行駛時，所需要的驅(qū)動力F和車輛行駛里程S=150 km所需要功W分別如下：

F=Gf+v2CDA/21.15=1 297.2 N

W=F×S=194 589.8 kJ

為了保護電池，應(yīng)對鋰電池采用淺充淺放的原則，充滿電按SOC的90%計算，最大放電量按SOC剩余30%計算。綜合考慮電池的各項性能，選用某磷酸鐵鋰動力電池，電池單體額定電壓Vi=3.2 V，單體額定容量Ci=21.15 A·h。則單體電池能量wbat，需要電池數(shù)目Nbat分別如下：

式中：0.6表示實際利用的電池容量占總?cè)萘康陌俜直戎担?%～60%）。

根據(jù)國標規(guī)定[9]的電壓等級和8 m純電動客車總電壓要求，最終選擇576 V的總電壓，因此需要串聯(lián)的電池數(shù)nchuan，并聯(lián)的電池數(shù)目nbing分別為：

最后選擇電池串聯(lián)數(shù)目180個；并聯(lián)數(shù)目8個；單體電池需求總量1 440個。電池組具體布置方式為8個單體并聯(lián)為一個小的單元，然后再串聯(lián)180串，電池組總?cè)萘繛?72 A·h，總電壓為576 V。

2 電動客車仿真分析

2.1 模型搭建及計算任務(wù)

利用Cruise軟件搭建整車模型并進行仿真分析，首先，在軟件中搭建電池、電機、減速器、輪胎等模塊并輸入相關(guān)參數(shù)；其次，根據(jù)電動客車的整車布置及控制方式進行機械、電器和信號連接[7]。搭建好的整車仿真模型如圖1所示。

圖1 8 m純電動客車仿真模型

最后，在Cruise軟件計算任務(wù)欄設(shè)置Max Velocity、Climbing Performance、Full Load Acceleration、Cycle Run等仿真任務(wù)，并設(shè)置0.1 s的仿真步長、1.0×105仿真精度等參數(shù)，分別仿真分析整車最高車速、最大爬坡度、加速性能、續(xù)駛里程。

車輛實際運行路況非常復(fù)雜，為了準確模擬設(shè)計的8 m純電動客車運行路況，實驗采集了通化市某公交路線的路譜，分析處理采集數(shù)據(jù)構(gòu)建形成了該公交路線行駛工況，簡稱S循環(huán)行駛工況，如圖2所示，通過Crusie軟件中Cycle Run任務(wù)，分析運行在S循環(huán)行駛工況整車的經(jīng)濟性能。

圖2 S循環(huán)行駛工況

2.2 仿真結(jié)果分析

純電動客車動力性評價指標是最高車速、最大爬坡度及加速時間，經(jīng)濟性評價指標常采用單位里程電能消耗進行評價[1]。仿真得到純電動客車最高車速79 km/h；最大爬坡度24%；原地起步加速至50 km/h時間為8.64 s。

利用Cruise軟件中的ConstantDrive任務(wù)仿真得到各車速下對應(yīng)的電機耗電量，仿真得到速度30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h對應(yīng)的等速百公里耗電量分別為43 kW·h、49 kW·h、56 kW·h、66 kW·h。

利用Cruise軟件中的Cycle Run計算任務(wù)，建立一個40 km/h勻速行駛工況，仿真得到純電動車的電池SOC變化曲線，如圖3所示。圖中3條曲線分別表示時間-距離曲線、時間-速度曲線、時間-SOC變化曲線。從圖中可知，當(dāng)電池SOC值由95%下降到15%，對應(yīng)行駛里程167 km，該過程消耗的總電能為83.89 kW·h，百公里行駛里程的耗電量為50 kW·h。

圖3 電池SOC的變化

選擇CWTVC_市區(qū)工況、搭建的S循環(huán)行駛工況導(dǎo)入Cruise軟件中的profile中[10]，運行Cycle Run計算任務(wù)，仿真得到整車運行在上述兩種工況下整車耗電量數(shù)據(jù)見如表1。

表1 循環(huán)工況電機能耗

整車運行在CWTVC_市區(qū)工況、S循環(huán)行駛工況下，純電動客車耗電量曲線、時間-距離曲線如圖4和圖5所示；電機消耗功率曲線、電池SOC變化曲線如圖6和圖7所示。

圖4 耗電量曲線（CWTVC_市區(qū)）

圖5 耗電量曲線（S循環(huán)行駛工況）

圖6 電機功率和電池SOC變化（CWTVC_市區(qū)）

通過上述仿真分析可知，設(shè)計的8 m純電動客車最大速度為79 km/h，0～50 km/h的加速時間為8.64 s，最大爬坡度為24%；40 km/h勻速行駛工況，續(xù)駛里程為167 km。仿真結(jié)果表明，電動汽車最高車速、加速時間、續(xù)駛里程等指標能夠滿足要求，從而說明整車匹配方案設(shè)計合理，所選電機及后橋能夠確保整車動力性、經(jīng)濟性達到設(shè)計要求。

3 結(jié)束語

根據(jù)設(shè)計的純電動客車整車性能要求，通過理論計算，得到電機功率、扭矩、后橋速比參數(shù)取值范圍，并根據(jù)常用的電機類型、后橋型號，初步選擇了純電動客車動力傳動系參數(shù)。最后利用Cruise軟件搭建純電動客車的模型，仿真分析整車動力性、經(jīng)濟性；結(jié)果表明匹配設(shè)計方案滿足整車性能要求。該方法可作為純電動客車的設(shè)計、動力性能、經(jīng)濟性能預(yù)測和分析的一種有效方法和手段。

[1]陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

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修改稿日期：2017-05-02

Parameters Design and Simulation AnalysisofPowertrain System for an 8 m Pure Electric Bus

Zhang Hong,Zheng Zeliang,Meng Guoqing
（Zhongtong Bus Holding Co.,Ltd,Liaocheng 252000,China）

Taking a self-developed 8 m pure electric bus as the object,the authors match and design its powertrain parameters,and establish its modelas well as carry out simulation analysis based on Cruise software.The results showthatthe designed 8 m pure electric busmeetsthe design requirements.

pure electric bus;powertrain system;parameterdesign;simulation analysis

U463.2；U469.72

B

1006-3331（2017）0 4-0012-04

張紅（1986-），女，碩士；工程師；主要從事客車發(fā)動機周邊布置設(shè)計及動力匹配研究工作。