基于Matlab的纯电动客车经济性仿真分析

周翔，孙长存，王凯，林永茂，童骁

（江西博能上饶客车有限公司 技术中心，江西 上饶 334000）

前言

纯电动客车的续驶里程受行驶工况、动力参数、储能参数匹配等条件的影响[1-2]。客户在项目初期均会对纯电动客车的续驶里程提出一定的要求。因此在产品设计初期对客车的经济性进行仿真显得尤为重要。

有学者在汽车设计过程中，使用GT Power、Cruise等商业软件，对客车的经济性做了模拟仿真[3]。但是，这些商业化的计算分析软件，价格昂贵，应用不方便，如操作过于繁琐、所需参数过多、模型准备时间太长等。如果不是专业的CAE工程师操作，很难完成此项工作。而在整车的开发初期，某些参数获取困难，模拟仿真难以实现。Matlab具有强大建模及编程功能，所以能很好地解决这一方面的问题[4-6]。

1 经济性仿真的数据准备

1.1 车型参数导入

纯电动公交车项目 6116BEVG1的车型仿真所需的主要数据见下表1所示。

表1 车型参数

1.2 路谱数据的导入

项目初期客户提出公交车需在指定的路线按照公交车运行工况行驶，未开启空调时续驶里程要达到230 km。为获取准确的路谱数据，我司技术人员在该线路行驶的公交车上安装由RACELOGIC公司生产的VBOX数据采集系统，记录下车辆的车速、经纬度、海拔等信息（见图1，为其中截取的一段）。

图1 车辆数据及海拔图像

可用VBOX Tools软件直接导出成Matlab可直接读取的EXCEL格式的数据文件。

1.3 电机外特性和效率数据的导入

将电机在各转速和扭矩下的效率数据导入Matlab，电机效率Z当成电机转速X和扭矩Y的函数，采用最小二乘法和回归分析法拟合得的电机MAP图见图2[7-8]所示。求解得的电机效率的函数为：

图2 电机MAP三维图

2 经济性仿真的计算模型

2.1 整车动力学模型

车辆驱动力：

Ttq为电机扭矩，ηt为传动系统的机械效率，ig为主减速比。

滚动阻力：

其中f0和f1为与滚动阻力有关的系数，G为车轮对地面的压力，ua为车速。

空气阻力：

其中CD为空气阻力系数，A为车辆迎风面积。

坡度阻力：

其中ɑ为坡度角，h为海拔。

加速阻力：

δ为汽车旋转质量的转换系数，a为车辆加速度。

根据汽车行驶阻力平衡方程[9-10]：

2.2 制动能量回收计算

制动能量回收需要满足一定条件，如动力电池 SOC＜90%，且车速＞20 km/h。

当满足上述条件时，假设车辆在车速v以减速度a行驶时，有平衡方程：

其中Fh为制动回收的反向力矩到车轮上的作用力。

Th为电机的回馈力矩，η为制动力回馈的机械传递效率。此时根据车速计算出电机转速n，在回馈模式的外特性图中求得额定工况下的最大扭矩T0，T0即为该车速下电机能产生的最大反向力矩。

当Fh≦F0时，制动时时回馈给储能系统的充电功率Ph=n*T*ηh/9550，其中ηh为电机在该转速和扭矩的回馈模式下的效率。

当Fh＞F0时，Ph=n*T0*ηh/9550。

最终因能量回收使储能电池增加的电能。

3 仿真结果分析

3.1 电耗计算

将上述计算模型编程，并输入整车等相关参数后得到车速及累计电耗的曲线，见图4（为截取的一段）。经计算的该纯电动公交车在客户指定工况下运行平均电耗为 0.92 kWh/km。为纯电动车留有剩余 10%SOC的安全量，客户要求的230 km的续驶里程应对应整车电量255.48×90%=229.93 kWh。为满足客户要求，电耗应小于1 kWh/km。由此可得，该车型仿真结果满足客户的续驶里程要求。

图4 车速与电耗曲线图

后续在样车试验验证阶段在客户指定道路上以该工况运行，测得实际电耗为0.94 kWh/km，与仿真结果的0.92 kWh/km非常接近。

3.2 电机负载分析

对电机的实时功率进行计算并绘制成曲线，见图 5。可以看出电机的实时功率基本都在100 kW（额定功率）以内，超过100 kW的最长时间仅为15 s，且功率值远低于峰值功率。所以该车型动力性较为充足，使用中不存在电机负载长期过高的现象。

图5 车速与电机功率曲线图

4 结论

本文提出了一种基于 Matlab程序的纯电动客车经济性仿真分析方案，包含电机效率模型的建立、整车动力模型的建立和整车制动能量回收模型的建立。程序能通过导入实际的路谱，满足客户的定制化需求，并能对电机运行的负荷状况进行评价。本方案经与实车路试结果对比，有较高的可参考性。