纯电动城市客车动力系统参数匹配及仿真研究汤峰邱静(安徽交通职业技术学院汽车与机械工程系，安徽合肥 230051)摘要：在分析纯电动城市客车的基本技术参数和设计要求，进行驱动系统结构型式以及驱动体统电机基础选型，对驱动电机主要参数分析计算并确定选型，建立动力系统数学模型，通过仿真试验验证动力系统设计与电机选型方案的可行性。

关键词：纯电动城市客车；动力系统；蓄电池；参数匹配；仿真A Study on the Parameters Matching and Simulationof Power System For Pure Electric City BusTang Feng Qiu Jing(Faculty of Machinery and Automobile Engineering， Anhui Communications Vocational and Technical College，Anhui Hefei，230051，China)Abstract:According to the analysis of the technical parameters and design requirements for pure electric city bus,Structure of the drive system and motor parameters are being matched,Calculating and determining the main parameters of the drive motor,Establish mathematical model of the power system,To verify the feasibility of design about the power system and Motor selection through the simulation result.Keywords:Pure electric city bus;Power system;Battery;parameter matching; Simulation0 引言纯电动城市客车具有零污染有害气体排放、能量利用的效率高、废弃热量排放少、声噪小、制动能回馈利用高等诸多方面的优点，其在城市公交、大巴等公共交通领域具有极强的开发应用意义[1]。

纯电动城市客车动力系统的驱动电机、动力蓄电池的基础选型在研究过程中往往是凭开发设计人员的经验来确定，开发周期较长。

通过对动力系统进行分析计算，并确定其参数，用仿真建模来验证参数的合理性能够大大的缩短研发周期[2]。

1 整车基本参数要求与基础选型根据实际纯电动城市客车设计要求，整车基本参数要求如下表1所示。

表1 整车技术参数要求整车参数最高车速80km/h 轴数2驱动型式 4×2后轮驱动 轮胎规格 275/70R22.5 轮胎数 6 整备质量 13800 kg 最大总质量 18000 kg 外部 尺寸 参数车辆长12m 车辆宽 2.5m 车辆高 3.150m 轴距6.1m 轮距（前/后） 2.096/1.840m 前悬/后悬 2.620/3.280m 通过 性参 数最小转弯直径≤21.7m 最小离地间隙(㎜) ≥0.16m 接近角 ≥7° 离去角 ≥7° 主减速比5.63采用原有的公交车后桥，通过驱动电机直接连接将动力传递至到后桥，由驱动电机的无级变速功能实现整车的自动变速，省掉变速箱环节，降低了成本的同时并大大减少了整车故障率，并因此能够缩短新车型的研发时间[3]。

驱动系统结构形式如图1所示。

图1 驱动系统结构形式综合考虑直流电机、交流异步电机、永磁电机、开关磁阻电机的优点与可靠性，选用三相交流异步电机作为整车的动力源，选用磷酸铁锂电池作为车辆的储能元件[4]。

2电机主要参数的匹配2.1最高车速约束条件下的电机需求功率综合考虑纯电动客车在城市工况下的行驶条件，50%以上时间是以50Km/h 以下的车速行驶，电机功率的选择应平衡于电机工作效率与期望最高车速的权重。

根据客车设计经验公式[5]：)36007614036003600(113T dtdu mu Au C Giu Gfu P a aD a a m δη+++=其中，单级减速主减速器96.0=Tη；车辆满载工况下G=18000Kg ×9.8N/kg ； 一般城市路面滚动阻力系数取f=0.020； 最高车速h Km u a /80=； 设车辆在平坦的路况下取i=0； 空气阻力系数取7.0=D C ； 迎风面积A=62m ； 加速度0=dtdu。

因此求得在满载情况下最高车速时车辆的需求功率=e P 110.9KW ，考虑到电机过载能力以及城市工况下的实际车速应低于理论设计最大车速80km/h,实际选择的电机功率取经验参数0.9 ，则电机所需实际功率可选择额定功率为100KW 。

当半载荷且最高车速时车辆的实际所需功率为=e P 104KW ，0.9 ×e P =93.6KW ，此时选取的电机额定功率满足要求[6]。

2.2起步加速时间约束条件下的电机需求功率 根据汽车理论计算公式[5]：322a v 5132)(2t δM 2f f D a f r v b f m V A C V gf M V V P ρ+++=其中，旋转质量系数δ取1.05；车辆的总质量v M (kg)，按设计参数取180000；期望起步加速时间a t 在满载加速时间从0-50km 所需的时间取25s ； 相应电机基速下车速b V （m/s ），设基速为950rpm,对应的车速8.9m/s ； 车辆加速后的终速f V （m/s ）13.89m/s,此时对应电机为1478rpm ； 一般城市里面工况下轮胎的滚动阻力系数r f 取0.020； 空气密度a ρ取1.202kg/3m ； 滚动半径r 取0.505m 。

第一项表示用于加速车辆质量的功率；第二项和第三项分别表示克服轮胎滚动阻力和空气阻力所需的平均功率。

满足加速时间的需求功率在不同的载荷下，求得满载时=满2m P 137.6KW ，半载时=半2m P 125KW 。

选取100KW 电机的过载能力系数为2.5，即短时间过载功率为额定功率的2.5倍，过载时间最大可为1min ，即在250KW 功率下运行1min ，因此选择该款额定功率为100KW 电机即可满足要求。

2.3爬坡度为15%时电机需求扭矩dtdum Au C Gi Gf r i i T a D Tg tq δη+++=15.212设爬坡时速为a u =20km/h （此时电机转速为591rpm ）; dtdumδ=0； 求得，满载时需求扭矩满tq T =2315N ·M ，满载时需求扭矩半tq T =2123N ·M 。

因此选择电机的最大扭矩为2400N ·M ，可以满足要求。

当为2400N ·M 且满载时，爬坡度为12.5% 当为2400N ·M 且半载时，爬坡度为13.8%2.4最高车速下电机需求扭矩 当满载时dt du m Au C Gi Gf r i i T a D Tg tq δη+++=15.2120，其中Gi =0; dtdu=0=tq T 448N ·M 此时电动机的转速为2365rpm当半载时377=tq T N ·M 此时电动机的转速为2365rpm因此车辆在最高车速时，电机扭矩需求为448N ·M 。

2.5最高车速下电机的最大转速由0377.0i i rnu g a = ，得到 r i i u n g a 377.00==2365rpm ，因此选择电机的最大转速为2400r/min ，可以满足要求。

2.6额定功率下基速时，确定电机的额定转矩 由 P e =9550j e n T 可知T e =je n P 9550=9501009550⨯=1005N ·M ，其中，P e =100KW ，n j =950rpm 。

综上所述，选择电机的额定功率为100KW 即电机P e =100KW ，峰值功率为250KW 即Pmax=250KW ，最大扭矩为2400N · M 即T max tq =2400N · M,最高转速为2400rpm 即n max =2400rpm,电机扭矩需求≥420N ·M 即T rpm tq 2400=420N ·M 。

在此基础上得到驱动电机的特性曲线如图2所示[7]。

图2 驱动电机特性曲线3 建立仿真模型使用AVL CRUISE与MATLAB Simlink两款软件进行联合仿真。

在CRUISE环境下设定各独立模块的参数，在MATLAB环境下写入动力系统的控制策略，通过Matlab API接口相互通信，实现扭矩控制。

建立仿真模型，主要使用的模块有车辆总成、电池、电机、主减、差速器、制动器、车轮、驾驶室、能耗单元、与Matlab进行联合仿真的接口以及监视器[8]。

在Cruise里搭建完成仿真模型后，根据整车技术参数表，将数据输入仿真模型中，输出电机的转速-扭矩图和转速-扭矩-效率图，如图3，图4所示。

图3 电机的转速-扭矩图图4 电机的转速-扭矩-效率图如图3所示，在电机转速为975r ／min 时，进入恒扭矩与恒功率的切换位置，其正、负区域的驱动与电机特性符合实际要求。

图4说明在高速小扭矩时电机效率快速进入高效区[9]。

蓄电池模块所模拟的是动力蓄电池组总容量与行驶中的电池容量变化情况，充、放电SOC 线，如图5、图6所示。

充电SOC 线放电SOC 线图5 蓄电池模块充电SOC 线图充电放电SOC 线SOC 线图5 蓄电池模块放电SOC 线图驾驶室模块主要包括踏板特性、制动力分配及换档类型等，其踏板自身特性曲线如图6所示。

图6 踏板自身特性曲线仿真数据输出，最高车速、最大爬坡度、起步加速时间如图7、图8、图9所示。

图7 最高车速仿真输出界面图8 最大爬坡度仿真输出界面图9 加速时间仿真结果输出界面仿真结果分析，通过各仿真输出数据，最高车速为86km/h大于理论设计最大车速80km/h，最大爬坡度为17.6%大于国标中12%的爬坡度标准，0-50km起步加速时间为17.44秒优于设计标准[10]。

4 结语分析整车基本参数要求，进行驱动系统结构型式以及驱动体统电机基础选型，对驱动电机主要参数分析计算并初步确定，对动力系统进行建模与仿真，验证基础选型数据的正确性，为纯电动城市客车的后续开发提供了理论基础，并为其它相关车型开发工作提供了动力系统基础选型数据验证工作。