基于ADVISOR的純電動公交車的建模與仿真

龔嬋媛

（江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院，張家港 015600）

0 引言

汽車排放的尾氣給環(huán)境帶來了巨大的壓力，中國城市空氣污染物有60%來自于汽車尾氣，而汽車尾氣污染的40%以上來自于城市公交車尾氣。由于純電動公交車具有零污染、零排放的優(yōu)點，所以研發(fā)純電動城市客車不失為解決城市空氣污染問題的重要途徑之一[1]。本文以純電動客車為依托，通過仿真技術(shù)的研究，對純電動客車的性能特點作了深入了解，建立了整車模型、車輪模型、主減速器模型、變速器模型、電動機及驅(qū)動器模型等，對所建立的動力系統(tǒng)進行了仿真分析，結(jié)果驗證了動力系統(tǒng)各元件的參數(shù)匹配的合理性。

1 動力系統(tǒng)匹配設(shè)計

純電動客車的動力系統(tǒng)主要包括：電動力、蓄電池、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四個部分[2]。驅(qū)動整車的能量全部為電能，蓄電池組向電機供電，電機將電能轉(zhuǎn)化為機械能驅(qū)動汽車行駛，當汽車制動時，電機也可以作為發(fā)電機，在回收制動能量時發(fā)電，再對蓄電池組充電。參照北京奧運純電動客車BK6122EV2的標準[3]，確定本車型各項性能指標如下：最高車速≥80km/h，0～50km加速時間≤25，最大爬坡速度（滿載）≥20%，續(xù)航里程≥150km，制動距離（空載/滿載）≤9km/h/≤10km/h。

1.1 電機的匹配計算

電動機為純電動客車提供了行駛的動力，為了能夠使客車在低速、爬坡的狀態(tài)下平穩(wěn)行駛，電動機需要提供較大的轉(zhuǎn)矩。在客車加速的過程中，電動機需提供較大的功率。在匹配電動機時，主要考慮電動機的額定功率、峰值功率、額定轉(zhuǎn)速和峰值轉(zhuǎn)速。

計算電動機功率時，需要參照電動客車的最大爬坡度imax(%)、最高車速umax(km/h) 、初速度u0(km/h)～末速度ut(km/h)所需時間T(s)來計算出電動機功率。先后計算出客車以最高速度umax(km/h)行駛時電機需提供的功率Pmax1=68.6kW、在最大坡度上行駛時所需功率Pmax2=139.4kW、客車在加速時所需達到的功率Pmax3=67.6kW。而電動機輸出的最大功率P必須要同時滿足上述三種情況，即滿足式(1)：

根據(jù)上述公式，綜合考慮純電動客車承載客量、內(nèi)部電器設(shè)備的能量消耗等，最終選擇峰值功率為150lkW的永磁同步電動機。

1.2 傳動系參數(shù)的計算

電動客車的傳動比是由變速器決定的，在匹配變速器時，需要確定變速器是幾檔，各個檔位的傳動比是多少。純電動客車的電動機轉(zhuǎn)速范圍較大，所以檔位可以適當減少，最終確定純電動客車匹配兩檔變速器。經(jīng)過計算得出最小傳動比、最大傳動比分別為imin=1，imax=4.5。通過最高車速和最大爬坡度驗算校核，兩檔均滿足要求。因此確定匹配兩檔變速器，其傳動比如表1所示。

表1 變速器傳動比數(shù)據(jù)

1.3 動力電池選型

為電動機提供能量的唯一部件就是蓄電池組，理論上電池容量越大，客車續(xù)航能力越強。但電池容量越大，其質(zhì)量和體積也會越大。因此，在選擇蓄電池時要綜合考慮它的容量、體積、質(zhì)量和性能。

通過分析技術(shù)，結(jié)合市場情況，選擇天空能源公司的磷酸鐵鋰電池組作為本系統(tǒng)的動力電池組，其各性能參數(shù)如表2所示。

表2 蓄電池參數(shù)

2 仿真模型的建立

為了驗證設(shè)計模型，應(yīng)用軟件進行仿真建模和分析是非常必要的。由美國可再生能源實驗室（NREL）研發(fā)的高級車輛仿真軟件ADVISOR，能夠?qū)冸妱悠嚨母鞣N性能進行快速模擬試驗。ADVISOR有三個界面，分別是整車參數(shù)輸入界面、仿真參數(shù)輸入界面和仿真運行結(jié)果界面。

在整車參數(shù)輸入界面，可以根據(jù)需要選擇動力傳動系統(tǒng)配置及對其參數(shù)進行設(shè)置。在對整車模型、車輪模型、主減速器模型、變速器模型、電機模型、蓄電池模型等參數(shù)進行輸入，并修改相關(guān)m文件參數(shù)之后。以整車模塊為例，本模塊與要輸入的參數(shù)是：仿真步長結(jié)束時的車速、系統(tǒng)提供的驅(qū)動力和線速度。輸出的參數(shù)是：車輛需要的驅(qū)動力和實際速度。

整車m文件需要修改的數(shù)據(jù)：

veh_description=’bishe Vehicle’；%汽車的描述

veh_CD=0.56；%風(fēng)阻系數(shù)

veh_FA=6.3；%迎風(fēng)面積（m2）

veh_cg_height=0.725；%質(zhì)心高度（m）

veh_front_wt_frac=0.36；%前軸荷占整車質(zhì)量的百分比

veh_wheelbase=6.3；%軸距（m）

veh_glider_mass=14500-1344-78-50；%車輛滑行質(zhì)量（kg）

veh_cargo_mass=3500；%最大裝載質(zhì)量（包括乘員）（kg）

整車模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

最終建立的純電動客車仿真模型如圖2所示。

圖1 整車模塊結(jié)構(gòu)

圖2 純電動客車仿真模型

3 仿真結(jié)果分析

目前評價整車性能主要有CYC_ECE_EDUC_LOW、CYC_UDDS和CYC_CONSTANT-60三種循環(huán)工況。CYC_ECE_EDUC_LOW是歐洲和我國排放法規(guī)測試的典型工況之一，該工況仿真時間1224s，行駛里程10.59km，平均車速31.11km/h，最高車速90km/h，在仿真行駛過程中，共停車13次。車速仿真結(jié)果如圖3所示，循環(huán)需求曲線（藍色曲線）與實際車速（紅色曲線）較為吻合，客車在規(guī)定工況上行駛情況良好。電池的SOC值變化如圖4所示，開始階段，由于電池的放電極化現(xiàn)象致使SOC值下降嚴重，在SOC值達到0.88左后，電池會在趨于平穩(wěn)的區(qū)域內(nèi)工作。

圖3 速度與時間關(guān)系圖

圖4 SOC值隨時間變化圖

純電動客車的重要性能指標之一就是續(xù)航里程。本文在CYC_ECE_EDUC_LOW循環(huán)工況和50km/h等速工況中對純電動客車進行仿真，得出其續(xù)航里程。如圖5所示。

在50km/等速仿真情況下，不考慮外部環(huán)境及駕駛員的干擾，模擬車輛在平坦的公路上以50km/h的速度行駛，在ADVISOR中設(shè)置蓄電池的放電深度為80%，即當蓄電池的SOC值小于0.2時停止輸出電能，純電動客車停止。

根據(jù)圖5可以得出以下結(jié)論：蓄電池的SOC值與純電動客車的行駛里程基本呈線性關(guān)系，并隨著客車行駛里程增加而減小，當蓄電池的SOC值減小到0.2時，客車行駛里程不再發(fā)生變化，這意味著客車停止。在50km/h等速工況下，純電動客車的最大行駛里程為156.6km，滿足設(shè)定的性能要求。

圖5 續(xù)駛里程

圖6 電機功率仿真結(jié)果

圖6是純電動客車在CYC_UDDS工況中仿真時，電機輸出功率隨時間變化曲線，可以看出電機輸出的最大功率大約為150kW，符合電機的峰值功率。

4 結(jié)論

針對一款純電動城市客車，，根據(jù)其動力性能指標和整車參數(shù)，計算出各主要元件需要滿足的參數(shù)，完成了動力系統(tǒng)元件的型式匹配。在ADVISOR軟件中建立了動力系統(tǒng)仿真模型，對車速、SOC值、續(xù)駛里程、電動機功率等仿真結(jié)果進行了分析，驗證了動力系統(tǒng)匹配方案的合理性。

[1] 王少凱.基于Cruise軟件的純電動城市客車的建模與仿真[J].客車技術(shù)與研究,2011,2:10-12.

[2] 曾小華,宮維鈞.ADVISOR 2002電動汽車仿真與再開發(fā)應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014.

[3] 林程,王硯生,孟祥峰.奧運純電動大客車技術(shù)與應(yīng)用[M].北京理工大學(xué)出版社.2008.

[4] 張光亞.城市電動客車動力系統(tǒng)匹配及電機控制器設(shè)計[D].吉林大學(xué).2007.