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：
3
1max max 1
(cos sin )62360021.15
D m T C Av P Gfv Gv kW αααααη=++=
(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：
3
2max max 1
(cos sin )340360021.15
D m T C Av P Gfv Gv kW αααααη=++=
(2)
（3）满足最高车速69km/h 的功率要求，由下式计算可得：
23
2)551(360011296027614031
m m
m D m T m kW v v v C A mgf m P x t x ση==++++
(3)
因此电动机的峰值功率取P m1、P m2和P m3的较大者：
_max 123max{,,}m m m m P P P P ≥
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：
_max
m me P P λ
=
(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：
_max
2400/min m me n n r β
=
= (5)
其中，β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P e 和额定转速n e 确定，由下式（6） 可以得出：
*9550
677e me e
P T Nm n =
= (6) 电动机的最大转矩可由下式（7）得出 max 1360me T T Nm λ=⋅=
(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
电压等级 传统燃油轿车启动系统
12V 传统轿车ISG 系统 36V ISG 混合动力系统 144V 混合动力轿车或电动轿车 288-350V 混合动力客车或电动客车
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：
111000320P S
C Ah V
≥= (8)
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： _max
0max
=8.30.377
m r n i v ≤ (9)
其中，_max m n -电动机最高稳定转速；
m a x v -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。

max max 1max 0
(cos sin ) 2.87g G f r T i i αα+≥=
(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：
1max 0 5.92g T
G r
T i i ϕη≤=
(11)
其中，max T -动力源能产生的最大扭矩（Nm ）；
ϕ-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：
4max 0
0.377 1.36
m g n r
i u i ≤
=
(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
档变速器速比如下表1-2所示。

表1-2 变速器各档位速比 1档传动比 4.017 2档传动比 2.467 3档传动比 1.529 4档传动比
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
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97km/h，满足最高车速要求。

而加速能力如下表2-2所示。

表2-2 不同车速段的加速时间
车速段加速时间
13s
0到50km/h
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
爬坡度车速（km/h）
5% 69
10% 33
15% 28
20% 19
25% 17
图2-2 各挡位的爬坡曲线。