纯电动客车动力系统匹配及仿真分析

1 动力系统主要参数匹配设计

1.1 驱动电机匹配设计

1.1.1 电机功率匹配

根据客户设计要求：最大爬坡度为25%；在10%的坡度上能以60km/h的速度行驶；0到50km/h的加速时间应小于25s；最高车速达到69km/h。

（1）满足以3~5km/h在25%的坡度上起步的功率要求，由下式计算可得：

3CDAv?1Pm1?(Gfv?cos?max?Gv?sin?max?)?62kW

3600??T21.15(1)

（2）满足以60km/h在10%的坡度上行驶的功率要求，由下式计算可得：

3CDAv?1Pm2?(Gfv?cos?max?Gv?sin?max?)?340kW

3600??T21.15(2)

（3）满足最高车速69km/h的功率要求，由下式计算可得：

23CDAvm1mgfvmm?vmPm2?(??)?55kW

?T3600x?1129602tm761403x?1(3)

因此电动机的峰值功率取Pm1、Pm2和Pm3的较大者：

Pm_max?max{Pm1,Pm2,Pm3}

根据以上分析，可以得出该并联混合动力公交车驱动电机的最大功率为340kw。

电机额定功率和峰值功率的关系为：

Pme?Pm_max? (4)

式中λ为电机过载系数，这里取2。

由于其它附件的功率要求，取电动机的额定功率为170kw。

1.1.2 电机转速匹配

电机的转速不一样，对于电机的制造工艺及加工精度要求也就不一样。目前，可根据电机的转速将电机分为三种：1、低速电机，转速范围在3000～6000r/min；2、中速电机，转速范围在6000～10000r/min；3、高速电机，转速在10000r/min以上。相对于低速电机，中速电机和高速电机的造价较高，制造工艺复杂，而且它们对于与其配套的轴承等有着很高的要求，过高的转速还会增加机械损失。因此，本文选用低速电机，最高稳定转速为3200r/min。

电机的额定转速可由下式（5）得到：

nme?nm_max??2400r/min (5)

其中，?为电机扩大恒功率区系数。

1.1.4 电机扭矩匹配

电机的额定转矩可由电机的额定功率Pe和额定转速ne确定，由下式（6） 可以得出：

Pe*9550?677Nm ne电动机的最大转矩可由下式（7）得出 Tmax?Tme???1360Nm

Tme?(6) (7)

1.2 电池组参数的选择

1.2.1 电压等级的确定

现代汽车设计需要更好的空间利用率，特别是对于电动汽车而言。在相同的功率要求下，电池组的放电电压越大则放电电流越小，因此相关的电器元件可以设计的更加小巧，以满足空间布置需求。表1-1给出了现代各种新能源汽车车型电压等级方面的数据统计结果。

表1-1 新能源汽车电压等级数据统计

车型

传统燃油轿车启动系统

传统轿车ISG系统 ISG混合动力系统 混合动力轿车或电动轿车 混合动力客车或电动客车

电压等级 12V 36V 144V 288-350V 359-650V

因此初定电池组的额定电压为538V。

1.2.2 电池容量的确定

按照中国标准GB/T 18385-2005《电动汽车动力性能试验方法》、GB/T 18386-2005《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》，纯电动汽车需满足以40km/h匀速行驶至少300km。因此，可以根据下式初步确定电池的容量为：

P?SC1?10001?320Ah (8)

V 考虑到经济性因素以及电池组的质量问题，初定电池组容量为320Ah。

1.3 传动系速比的选择

1.3.1 主减速比的选择

车辆的主减速比可以看作是传动系的最小传动比，因此它应该满足纯发动机模式下的最高车速要求，即：

i0?0.377

r?nm_max=8.3 vmax(9)

其中，nm_max?电动机最高稳定转速；

vmax?最高车速；

参考其他车型，初选主减速比为6.166。

1.3.2 变速器各档速比选择

变速箱的档位数和速比进行匹配设计时，必须考虑以下几个因素：车辆的最高车速、车辆的最大爬坡度、车辆处于巡航车速下时电动机是否工作于高效区。

首先根据最大爬坡度确定1档速比。

G(fcos?max?sin?max)rig1??2.87

Tmaxi0 (10)

在满足最大爬坡度要求的同时，也需要保证附着条件，即用一挡发出最大驱动力时，驱动轮不产生滑转现象。公式表示如下：

G?r ig1??5.92

Tmaxi0?T其中，Tmax?动力源能产生的最大扭矩（Nm）；

??附着系数，对混领土或沥青路面可取0.5~0.6之间；

随后根据稳定行驶最高速度确定高速档速比：

(11)

ig4?

档变速器速比如下表1-2所示。

0.377nmr?1.36umaxi0

(12)

为了保证换挡顺利，要求各个档位之间的传动比值不超过1. 8。所设计的4

表1-2 变速器各档位速比 1档传动比 2档传动比 3档传动比 4档传动比

4.017 2.467 1.529 1

2 整车动力系统仿真分析

2.1 整车动力系统各部件参数

根据以上动力匹配计算，选择一款额定功率为130kW电机进行仿真验证。如下表2-1所示为整车动力系统主要部件的参数。

表2-1 整车动力系统各部件参数

部件 参数 峰值功率(kW) 额定功率(kW) 电动机 峰值扭矩(Nm) 额定扭矩(Nm) 最高转速(r/min) 额定转速(r/min) 动力电池 变速器(4档) 主减速器 电池标称容量(Ah) 电池额定电压(V) 传动比 传动比 值 260 130 1134 517 3200 2400 320 538 4.017/2.467/1.529/1 6.166 2.2 整车动力性能仿真分析

2.2.1 最高车速及加速性能分析

如下图2-1所示，为满载下全负荷加速曲线。从图中可以得出最高车速为

表2-2 不同车速段的加速时间 车速段 0到50km/h

全负荷加速曲线10090807097km/h，满足最高车速要求。而加速能力如下表2-2所示。

加速时间 13s

速度加速度6050403020100010203040506070时间/(s)809010011012032.82.62.42.221.81.61.41.210.80.60.40.20加速度/(m/s2)速度/(km/h)图2-1 满载下全负荷加速曲线

2.2.2 爬坡性能分析

如图2-2所示为各档位爬坡曲线，从图中可以得出最大爬坡度为28.5%。如下表2-3所示为各爬坡度所对应的车速。

表2-3 各爬坡度所对应的车速 爬坡度 5% 10% 15% 20% 25%

满载下各档位爬坡曲线30292827262524232221201918171615141312111098765432105车速（km/h）

69 33 28 19 17

一挡二挡三挡四挡坡度/(%)101520253035404550556065707580859095100105110速度/(km/h)图2-2 各挡位的爬坡曲线