純電動(dòng)客車驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型及優(yōu)化仿真

孫貴斌，楊云東，王　耀，曹競(jìng)輝

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

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純電動(dòng)客車驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型及優(yōu)化仿真

孫貴斌，楊云東，王耀，曹競(jìng)輝

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

基于中國(guó)典型城市循環(huán)工況下對(duì)純電動(dòng)客車驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選型優(yōu)化，利用CRUISE仿真軟件搭建整車模塊，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型優(yōu)化前后分別進(jìn)行整車性能仿真.結(jié)果表明：對(duì)純電動(dòng)客車驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型優(yōu)化較合理，優(yōu)化后整車在中國(guó)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(dòng)客車；驅(qū)動(dòng)電機(jī)；選型優(yōu)化；循環(huán)工況；續(xù)駛里程

新能源汽車作為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略，在我國(guó)已得到快速發(fā)展[1-3].與傳統(tǒng)汽車相比，純電動(dòng)汽車在節(jié)能環(huán)保方面具有較大優(yōu)勢(shì)，成為新能源汽車重點(diǎn)發(fā)展方向之一.目前，由于電力驅(qū)動(dòng)、動(dòng)力電池等關(guān)鍵技術(shù)方面還未成熟，使得純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程較短，制約了純電動(dòng)汽車的發(fā)展與普及.續(xù)駛里程作為電動(dòng)汽車首要經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，如何提高續(xù)駛里程成為國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車研究的主要目標(biāo).為增加純電動(dòng)汽車?yán)m(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(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)合理匹配、驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jìn)行研究[4]，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為純電動(dòng)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(dòng)電機(jī)、提高電機(jī)效率，對(duì)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(guó)典型城市循環(huán)工況下確定某型6.6 m純電動(dòng)客車驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的額定轉(zhuǎn)速和額定功率，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選型優(yōu)化，以合理匹配驅(qū)動(dòng)電機(jī)，提高整車性能.

1　整車基本參數(shù)與性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求

電動(dòng)汽車的性能指標(biāo)包括整車動(dòng)力性指標(biāo)和續(xù)駛里程.動(dòng)力性指標(biāo)主要包括3個(gè)方面:最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度[5].針對(duì)設(shè)計(jì)的某型國(guó)產(chǎn)6.6 m純電動(dòng)客車進(jìn)行關(guān)鍵部件的選型和匹配.整車基本參數(shù)與性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求如表1和表2所示.

表1　整車基本參數(shù)

表2　純電動(dòng)客車性能指標(biāo)

2　驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型

目前，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要是根據(jù)整車的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求并依據(jù)理論公式來(lái)確定電機(jī)的基本參數(shù)，從而對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選型匹配.驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)汽車以最高設(shè)計(jì)車速在路況良好的道路上行駛時(shí)需要克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力，根據(jù)最高車速Vmax確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需最大功率Pmax,1，即

(1)

電動(dòng)汽車在一定車速下以最大爬坡度爬坡行駛時(shí)需要克服坡度阻力、滾動(dòng)阻力和空氣阻力，根據(jù)爬坡性能確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jiàn)表1.

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

(3)

式(3)中：Va為加速過(guò)程中任意時(shí)刻速度，其它參數(shù)見(jiàn)表1.

根據(jù)表1和表2整車基本參數(shù)和性能指標(biāo)要求，由式(1)(2)可得驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的功率:Pmax,1=70.9 kW,Pmax,2=53.5 kW.在式(3)中，由于電動(dòng)汽車在加速過(guò)程中，車速在不斷變化，加速度會(huì)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(guò)擬合的加速曲線求出加速時(shí)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(dá)到118.7 kW,13 s之后需求功率趨于平衡，可得到純電動(dòng)客車在加速行駛過(guò)程中所需要的最大功率Pmax,3=118.7 kW.

電機(jī)所需要的最大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值率必須同時(shí)滿足上述情況，可以得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)電機(jī)的峰值功率Pmax=120 kW.電機(jī)的過(guò)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(shí)所需要的功率Pmax,1=70.9 kW,取電機(jī)的過(guò)載系數(shù)為2，電機(jī)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(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速一般由整車性能指標(biāo)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(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為nmax=4 000 r·min-1.由電機(jī)的擴(kuò)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(dòng)客車常規(guī)車速為50 km·h-1時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 918 r·min-1,取電機(jī)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(dòng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩需要滿足兩方面要求：一是滿足電動(dòng)汽車起步加速時(shí)轉(zhuǎn)矩要求；二是滿足電動(dòng)汽車在一定車速下以最大爬坡度爬坡行駛時(shí)的轉(zhuǎn)矩要求.通常情況下，爬坡行駛時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩要求更高.

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩以設(shè)計(jì)的最大爬坡度行駛時(shí)的要求確定.電動(dòng)汽車以一定車速爬坡行駛時(shí)，需要克服滾動(dòng)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(dòng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為Tmax=900 N·m.

驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩Te=300 N·m.

3　驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型優(yōu)化

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是純電動(dòng)汽車的核心部件，電機(jī)的選型影響著電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[7].電機(jī)在工作過(guò)程中一般應(yīng)滿足電機(jī)機(jī)械特性.電機(jī)運(yùn)行區(qū)域分為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)間和恒功率區(qū)間，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速附近的區(qū)域稱為電機(jī)的高效區(qū)間.當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在高效區(qū)間時(shí)電機(jī)的能量損耗降低，這不僅有利于提高電動(dòng)汽車的動(dòng)力性，而且能夠增加電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程.然而，長(zhǎng)期以來(lái)，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jì)指標(biāo)要求并依據(jù)理論公式來(lái)確定電機(jī)的基本參數(shù)，這種選型方法很可能會(huì)使選型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)脫離高效區(qū)間，導(dǎo)致不必要的能量損耗.

基于中國(guó)典型城市循環(huán)工況對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選型優(yōu)化，能夠使電機(jī)的工作點(diǎn)與電機(jī)的高效區(qū)間相匹配[8].國(guó)內(nèi)已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究：林鑫焱[9]研究電機(jī)內(nèi)部損耗和基于NEDC工況來(lái)匹配電機(jī)，王禺寒[10]通過(guò)研究國(guó)外十種工況確定電機(jī)的額定功率.但這些研究主要是針對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行研究，本文基于中國(guó)典型城市循環(huán)工況，針對(duì)6.6 m純電動(dòng)客車驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選型優(yōu)化.中國(guó)典型城市循環(huán)工況如圖2所示.

把基于中國(guó)典型城市循環(huán)工況得到的需求功率劃分為幾個(gè)區(qū)間，每個(gè)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(duì)工況點(diǎn)進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)，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(dá)到94.1%.

對(duì)電機(jī)的需求功率進(jìn)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(guó)典型城市循環(huán)工況得到的電機(jī)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(duì)轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)，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(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速進(jìn)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(dòng)電機(jī)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(dòng)力電池參數(shù)匹配

確定動(dòng)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(dòng)汽車的動(dòng)力性與續(xù)駛里程[12].動(dòng)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(shí)能夠行駛的距離.續(xù)駛里程的計(jì)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(dòng)力電池總能量；P為等速行駛時(shí)整車消耗能量；ηe為電機(jī)和電機(jī)控制器的傳動(dòng)效率.

由整車性能設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，并依據(jù)GB/T 18386—2005《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)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(dòng)力電池，電池組數(shù)目為560個(gè)，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(duì)整車性能進(jìn)行仿真,對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型優(yōu)化前后整車動(dòng)力性能和續(xù)駛里程進(jìn)行對(duì)比.在CRUISE軟件中建立整車仿真模型,如圖 5所示.

在CRUISE項(xiàng)目文件中設(shè)置仿真任務(wù)，輸入中國(guó)典型城市循環(huán)工況數(shù)據(jù)，仿真任務(wù)包括在中國(guó)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(yùn)行時(shí)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(dòng)電機(jī)選型優(yōu)化前后在中國(guó)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(duì)比

6　結(jié)語(yǔ)

依據(jù)理論公式對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選型，并在中國(guó)典型城市循環(huán)工況下對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型進(jìn)行優(yōu)化，匹配另一款能在高效區(qū)間運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)電機(jī).采用CRUISE軟件搭建了該電動(dòng)客車的仿真模型，對(duì)選型優(yōu)化前后匹配的兩款不同驅(qū)動(dòng)電機(jī)整車性能分別進(jìn)行仿真.仿真結(jié)果表明：在中國(guó)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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(責(zé)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(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)樾履茉纯蛙嚰夹g(shù)及應(yīng)用.E-mail:yupei-2008@163.com

U469.72

A

1673-4432(2016)03-0006-06