田韶鵬 韓 煒

(武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室1) 武漢 430070) (武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2) 武漢 430070)

0 引 言

純電動客車由于有著發(fā)出噪聲低、污染小等優(yōu)勢，越來越被汽車制造商所看重.

車輛的動力性和經(jīng)濟性是綜合評估汽車性能指標(biāo)的重要參數(shù)，通過計算機軟件對汽車的各個部件進行建模并進行仿真研究分析，可以找到適合的設(shè)計方案，并為進一步的設(shè)計和開發(fā)提供基礎(chǔ).王天利等[1]以續(xù)駛里程為優(yōu)化目標(biāo)，提高了整車的續(xù)駛里程，姜海斌等[2]分析了汽車的各項動力性能，并提出提高其動力性能的措施和方法，朱鵬飛等[3-4]對純電動汽車上的電機和電池等進行匹配選型，驗證了方法的有效性，王少凱[5]通過理論對比和計算，驗證了軟件的可行性，朱日瑩等[6]通過引入蓄電池荷電狀態(tài)，對汽車的傳動系比進行了優(yōu)化分析，賈燕紅等[7-9]對整車進行了仿真計算，表明設(shè)計的參數(shù)能夠滿足要求.應(yīng)用CRUISE軟件建立了純電動客車動力系統(tǒng)傳動模型，并利用軟件對其動力性和經(jīng)濟性進行了模擬分析，為動力系統(tǒng)匹配選型提供了依據(jù)，驗證了研究方案的可行性.

1 純電動客車動力系統(tǒng)

純電動客車的動力性主要由最高車速、爬坡性能和加速性能來表示，而其經(jīng)濟性主要由續(xù)駛里程來表示.純電動客車的動力傳動系統(tǒng)主要包括電池、電動機、變速器、主減速器、差速器及車輪等.電機驅(qū)動及電控系統(tǒng)是電動汽車的核心，也是與普通燃油哦汽車的最大區(qū)別之處.圖1為純電動客車的整車模型布置圖.

圖1 純電動客車整車模型圖

按照車輛動力系統(tǒng)的組成和匹配方式的不同，純電動客車動力驅(qū)動方式可以分為機械傳動式、無變速器式、無差速器式和電動輪式四種形式.本文使用機械傳動型，仍然采用傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的動力結(jié)構(gòu)，保留其布置模式，只是用電動機替換了發(fā)動機，這樣的布置能夠增大客車起步時的起動轉(zhuǎn)矩及低速運轉(zhuǎn)時的后備功率，提高汽車的運動能力，降低了對電機的規(guī)范指標(biāo)，能夠有更多

的電機選擇.

2 動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配

2.1 整車參數(shù)和設(shè)計要求

本文所研究的純電動客車整車參數(shù)見表1，根據(jù)其整車參數(shù)和指標(biāo)，對其動力系統(tǒng)的各項要求進行研究和匹配，以滿足相關(guān)性能指標(biāo)的要求.

表1 整車參數(shù)

根據(jù)本文所研究的純電動客車，設(shè)計其動力系統(tǒng)的匹配主要影響其動力性及經(jīng)濟性，通過動力匹配應(yīng)滿足一定的設(shè)計要求，保證其符合相關(guān)的性能指標(biāo)，主要包括加速時間、最高車速、最大爬坡度和續(xù)駛里程，通過研究這幾個性能指標(biāo)可以使純電動客車符合相應(yīng)的匹配標(biāo)準(zhǔn)，滿足性能要求.具體的性能設(shè)計要求：0～50 km/h加速時間為20 s；最高車速為70 km/h;最大爬坡度為15%；續(xù)駛里程為200 km.

2.2 驅(qū)動電機參數(shù)匹配

純電動客車在最高車速、加速和以某一速度勻速爬坡時這三個性能指標(biāo)要求下行駛時，電機的需求功率為

(1)

(2)

(3)

式中：vmax為最高車速；δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.05；vm為車輛加速的目標(biāo)速度；tm為車輛加速所需時間；αmax為車輛的最大爬坡度；vi為車輛爬坡時的速度.

所選取的電機功率應(yīng)該同時符合上述的三個指標(biāo)，經(jīng)過計算結(jié)合實際的電機型號，取電機的峰值功率為140 kW，選取的電機主要相關(guān)性能指標(biāo)：額定功率為140 kW；額定轉(zhuǎn)速為1 050 r/min;最高轉(zhuǎn)速為2 500 r/min；最大轉(zhuǎn)矩為 2 500 N·m;額定電壓為320 V.

選用的驅(qū)動電機性能特性曲線見圖2.在低轉(zhuǎn)速區(qū)域，電機具有保持恒定轉(zhuǎn)矩的特點；而在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，電機具有保持恒定功率的特點.

圖2 驅(qū)動電機外特性曲線

2.3 電池參數(shù)匹配

電池在純電動客車中儲存著汽車運行所需要的能量，它需要與電機和車輛的續(xù)駛能力等相結(jié)合，通過考慮車輛的經(jīng)濟性能，選取的電池各項性能：電池容量為140 Ah；額定電壓為320 V.

2.4 傳動比的匹配

在純電動客車中，主減速器和變速箱的目的主要是減速增矩，以適應(yīng)啟步、加速和爬坡等各種工況下所需求的高轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速.通過考慮電動機的選取和性能，為了進一步提升純電動客車的動力性能和經(jīng)濟性能，在本設(shè)計中選擇一個三擋變速箱.

分別考慮客車的最高車速和最大爬坡度，由此來確定主減速器和變速箱傳動比的設(shè)計范圍和要求.變速器的直接擋傳動比為1，主減速器的傳動比為

i0≤0.377nmaxr/vmax

(4)

式中：nmax為最高轉(zhuǎn)速；r為輪胎滾動半徑；vmax為最高行駛車速.

為了使電動機在處于最高車速運行時，可以獲得較高的運行效率，主減速器的傳動比同時應(yīng)該符合

i0≥0.377nepr/vmax

(5)

式中：neq為電機最大功率點轉(zhuǎn)速.將各參數(shù)代入，結(jié)合其他選型，可取i0=4.875.

主減速器的傳動比選定后，根據(jù)客車的最大爬坡度，確定其各擋傳動比，這里確定變速器有三個擋位，直接擋的傳動比最小，結(jié)合其選型，最終可以確定其各擋傳動比參數(shù)：i0為4.875；ig1為2.8；ig2為1.36；ig3為1.

3 純電動客車整車模型的建立

3.1 CRUISE運行流程

根據(jù)純電動客車動力系統(tǒng)的組成成分，在軟件運行窗口內(nèi)添加機構(gòu)內(nèi)組件模塊，如電機、電池、變速器、主減速器、差速器和車輪等基本構(gòu)成模塊.

根據(jù)純電動客車整車參數(shù)以及各個內(nèi)部部件相應(yīng)的參數(shù)對搭建的模塊各項參數(shù)進行預(yù)設(shè)定.

根據(jù)純電動客車內(nèi)各組成部件的動力傳遞關(guān)系及輸入輸出信號相互聯(lián)系對每個部件進行物理和電氣信號連接.

依據(jù)仿真設(shè)計目標(biāo)的要求，設(shè)定幾種不同的運行工況程序，如最大爬坡度、加速時間、最高車速和續(xù)駛里程等.

3.2 CRUISE仿真內(nèi)容

循環(huán)行駛工況：這個運行工況任務(wù)主要是能夠測定車輛在UDC(城市循環(huán)工況)和 NEDC(城市郊區(qū)循環(huán)工況)等不同的循環(huán)運行狀況下燃油消耗程度即耗電量和各種排放指標(biāo)等.

1) 爬坡性能分析 這個工況任務(wù)主要是指模擬仿真汽車在行駛過程中在其各個運行速度情況內(nèi)不同擋位下的最大爬坡度，同樣可以計算根據(jù)用戶自己的條件設(shè)定仿真計算在某一特定轉(zhuǎn)速下的汽車的最大爬坡度.

2) 穩(wěn)態(tài)行駛性能分析 這個行駛工況包含各擋性能計算和最高車速兩個子任務(wù)，可以用來計算在設(shè)定的不同擋位下等速行駛百公里油耗量和排放量，也可以計算在不同的傳動比設(shè)定下的理論最高車速和真實最高車速.

3) 全負荷加速性能分析 包含各擋最大加速性能計算(maximum acceleration in all gears)、原地啟步連續(xù)換擋加速性能計算(shifting gears from standstill)和超車加速性能計算(elasticity)三個不同的子任務(wù).其中各擋的最大加速性能計算可以得到指定汽車在每個不同的擋位下能夠達到的最大加速度；原地啟步連續(xù)換擋加速性能計算可以計算出車輛在連續(xù)換擋的條件下從靜止開始啟步并且達到某一特定車速的加速性能分析：超車加速性能計算能夠得到車輛在某一初始速度條件下加速到一個特定車速的超車加速時間.

3.3 純電動客車整車模型

根據(jù)純電動客車的動力傳遞路徑：電機→離合器→變速器→主減速器→差速器→車輪，搭建汽車的傳動形式.其中在模型的建立過程中包括機械和電氣兩種連接，通過正確連接后的模型見圖3.然后對其中每個模塊的參數(shù)進行設(shè)定.根據(jù)計算任務(wù)的要求，設(shè)置對應(yīng)的仿真任務(wù)，并進行仿真分析計算.

圖3 純電動客車整車模型

在整車傳動結(jié)構(gòu)搭建以后，還需要完成內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定.在以上仿真結(jié)構(gòu)中，依據(jù)汽車外部形狀尺寸和研究目標(biāo)，同時以上各內(nèi)部結(jié)構(gòu)型號標(biāo)準(zhǔn)，對每個組件完成標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定.

4 仿真結(jié)果分析

4.1 動力性能分析

汽車的動力性能是研究汽車的性能指標(biāo)好壞的關(guān)鍵因素，純電動客車的動力性能研究指標(biāo)主要包括最高車速、加速時間和最大爬坡度.

4.1.1最高車速和加速時間

圖4為速度特性曲線，由圖4可知，0～50 km/h的加速時間為12.96 s.滿足設(shè)定的加速時間20 s的要求.該車所能達到的最大車速為82.7 km/h.此時，電機轉(zhuǎn)速為2 500 r/min.達到了設(shè)定最高車速70 km/h的要求.因此，該設(shè)計滿足了汽車道路行駛的要求.

圖4 速度特性曲線

4.1.2最大爬坡度

汽車的最大爬坡度是汽車的一項重要的動力評價指標(biāo)，見圖5.由圖5可知，該車最大爬坡度為19.8%，當(dāng)加速到20 km/h時，能達到的最大爬坡度為16.8%.當(dāng)加速到40 km/h時，能達到的最大爬坡度為7.4%.當(dāng)加速到60 km/h時，能達到的最大爬坡度為4.2%.滿足設(shè)定的爬坡指標(biāo)15%的要求.說明該車的爬坡性能滿足設(shè)計行駛目標(biāo).

把每一個仿真程序所得結(jié)論與研究指標(biāo)進行比較，得出的理論見表2.

表2 計算結(jié)果與設(shè)計要求結(jié)果對比表

由表2可知，利用軟件CRUISE進行仿真研究得到的純電動客車相應(yīng)動力性能參數(shù)總體上達到了初始的研究目標(biāo)，進一步確定了動力系統(tǒng)指標(biāo)選取研究的可行性.

4.2 經(jīng)濟性能分析

車輛的續(xù)駛里程是指電池在設(shè)定的電量間能夠使汽車行駛的最大里程.在本研究中設(shè)定電池的SOC值從90%變化到10%，測定相應(yīng)的續(xù)駛里程，見圖6.圖6可知，續(xù)駛里程為231.29 km，達到了設(shè)定預(yù)期的續(xù)駛里程大于200 km的要求，符合設(shè)計指標(biāo)，同時達到使電池深度放電的要求.

圖6 續(xù)駛里程特性圖

5 傳動比分析

表3為新設(shè)計的四種傳動比的設(shè)計方案.

表3 傳動比匹配方案表

利用CRUISE軟件，對以上四種方案完成動力性和經(jīng)濟性的仿真研究，并與最初方案進行對比，得出的對比結(jié)論見表4.

表4 仿真結(jié)果對比表

對比最初方案與方案1和方案2可知，當(dāng)汽車的最大傳動比和最小傳動比保持恒定時，變化其中的傳動比并不會使汽車的最高車速和最大爬坡度發(fā)生改變，但是這樣改變了加速時間，這是由于在汽車的處于加速狀態(tài)時，車輛在第一和第二擋位時的運行情況有差別，并不是其中擋位的傳動比越大，加速性能就越好.

對比初始方案和方案3可知，加大主減速器的傳動比，相當(dāng)于整車的各擋傳動比都變大了，所以方案三的爬坡性能得到了提高，同時車輛的加速時間也變短了，但是車輛的最高車速降低了一部分.這是由于方案3中每一個擋位的傳動比都增大了，因此汽車的動力性能就提高了，汽車的加速能力也因此加大.因而方案3的各項動力性都比原方案好.

對比方案1和方案4可知，由于加大了最大傳動比，因此最大爬坡度提高了，最小傳動比恒定，因此最高車速仍然恒定.方案4中，汽車的爬坡能力和加速能力都要比方案1好，原因是方案4總體的傳動比設(shè)定要比方案1大.

當(dāng)一些條件保持恒定的情況下，進一步加大主減速器的傳動比，能夠加強汽車的爬坡能力和加速能力，還能夠采用優(yōu)化最小傳動比，讓汽車工作在效率較好的范圍，從而提高汽車的經(jīng)濟能力.仿真分析得到的結(jié)論和真實運行情況相一致，進一步達到了使用CRUISE軟件完成仿真分析的有效性.

6 結(jié) 論

1) 利用CRUISE軟件建立某純電動客車的動力系統(tǒng)模型，并且利用軟件完成了仿真設(shè)計，分析了客車的動力性和經(jīng)濟性.首先依據(jù)車輛參數(shù)的各項設(shè)計目標(biāo)，綜合考慮車輛的動力性和經(jīng)濟性，對動力系統(tǒng)進行了參數(shù)匹配，并進行了選型.然后應(yīng)用CRUISE軟件對其進行仿真分析，驗證了參數(shù)匹配設(shè)計的正確性和可行性，并研究了傳動比設(shè)計對整車性能的影響.

2) 通過觀察仿真結(jié)果，所設(shè)定的客車在0～50 km/h的加速時間為12.96 s，達到了小于20 s的需求；爬坡性能為19.8%，符合15%的要求；最高車速能夠達到82.7 km/h，滿足了70 km/h的要求；續(xù)駛里程為231.29 km≥200 km，滿足實際工況需求.

3)當(dāng)其它條件不變時，增大主減速器傳動比可以提高汽車的爬坡能力和加速能力，并且通過優(yōu)化傳動比可以提高汽車的工作效率，驗證了仿真分析的真實可靠，為接下來的研究提供了基礎(chǔ).