基于Cruise的微型純電動(dòng)貨車動(dòng)力系統(tǒng)的匹配仿真

董春迎， 譚德榮, 田厚杰

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院， 山東 淄博 255091)

隨著環(huán)保和能源問(wèn)題的日益突出，電動(dòng)汽車以其零排放、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)成為各國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展方向.純電動(dòng)微型貨車，通常行駛在城市內(nèi)或市郊，通過(guò)對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可較好地降低系統(tǒng)損耗，延長(zhǎng)續(xù)駛里程，提高區(qū)域物流運(yùn)輸?shù)男蔥1].如何合理的選擇部件及相關(guān)參數(shù)，使匹配達(dá)到最優(yōu)，在蓄電池相同的條件下，更好的滿足整車動(dòng)力性要求和最大的增加續(xù)駛里程，一直是研究者追求的目標(biāo)，也是本論文研究的主要目的.

本文以唐駿歐鈴ZB1010BEVADA電動(dòng)貨車為例，對(duì)整車的傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì).由于電動(dòng)機(jī)本身具有帶負(fù)載啟動(dòng)的功能，因此無(wú)需傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)上的汽車離合器，且電機(jī)具有調(diào)速作用，因此采用的變速器結(jié)構(gòu)應(yīng)較為簡(jiǎn)單.整車結(jié)構(gòu)參數(shù)與目標(biāo)動(dòng)力性能見表1和2.

1 電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配

1.1 電機(jī)參數(shù)的確定

純電動(dòng)微型貨車經(jīng)常工作在市郊，并運(yùn)行于起步、加減速、爬坡、制動(dòng)等各種工況，因此，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)要滿足各種工況的需求[2].

1.1.1 電動(dòng)機(jī)功率選定

電動(dòng)機(jī)的功率大小直接關(guān)系到電動(dòng)汽車動(dòng)力性的好壞.電動(dòng)機(jī)功率越大，電動(dòng)汽車的加速和爬坡性能越好，但電動(dòng)機(jī)的體積和質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)地增加.電動(dòng)機(jī)不能經(jīng)常保持在高效率區(qū)工作，降低了電動(dòng)汽車的能量利用率以及汽車的續(xù)駛里程.因此，電動(dòng)機(jī)功率的選擇對(duì)整車的動(dòng)力性能起著至關(guān)重要的作用.

表1整車結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2動(dòng)力性能要求

1)滿足爬坡性能要求，所需電動(dòng)機(jī)提供的功率為

(1)

2)由汽車加速性能指標(biāo)求解所需總功率，假設(shè)電動(dòng)機(jī)輸出特性為恒功率，由動(dòng)力平衡方程可推導(dǎo)出[3]

v=vm(t/tm)0.5

(2)

其中：vm為加速過(guò)程的末速度；tm為速度從0加速到vm所需的時(shí)間

根據(jù)假設(shè)條件可知，整個(gè)加速過(guò)程中的動(dòng)力源總功率是恒定值，則整個(gè)加速過(guò)程動(dòng)力輸出的平均功率與速度最大時(shí)動(dòng)力源輸出功率是相同的.由此推導(dǎo)出加速過(guò)程所需的總功率為

(3)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，針對(duì)唐駿歐鈴ZB1010BEVADA電動(dòng)貨車，將計(jì)算所需的整車參數(shù)以及動(dòng)力性能要求指標(biāo)帶入(1)～(4)式中得到

P1≥10kW,

P2≥31.39kW.

3)根據(jù)最高車速要求，確定所需電機(jī)提供的功率.

純電動(dòng)汽車采用的主減速比設(shè)為i0，當(dāng)車速達(dá)到最高時(shí)，一般是在直接檔上，由n=igi0v/0.377r可選定電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速.已知唐駿歐鈴ZB1010BEVADA電動(dòng)貨車采用的主減速比為4.4，計(jì)算的得到Nmax=3 523.3 r/min.在電動(dòng)機(jī)過(guò)載允許的范圍內(nèi)，選取電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 600r/min，最高轉(zhuǎn)速為4 000r/min.

由于電動(dòng)機(jī)具有高速恒功率的特性，因此電動(dòng)機(jī)的額定功率可由如下公式得到

(4)

Pe=Nmax·Tvmax/9550

(5)

將相關(guān)參數(shù)帶入(5)～(6)式得到

Tvmax=38.899 7N·m,

Pe=14.351 3kW.

綜合由(1)～(4)式確定的電動(dòng)機(jī)功率和由電動(dòng)機(jī)特性確定的額定功率，為保證設(shè)計(jì)車輛能夠以最高車速勻速行駛，并滿足爬坡性能和加速性能的要求，設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)該大于Pe，在過(guò)載允許的范圍內(nèi)(過(guò)載3～5倍)，滿足爬坡和加速的功率要求[4]. 因此可選擇電動(dòng)機(jī)的額定功率為15kW,峰值功率為40kW便可滿足運(yùn)行功率需求.

1.1.2 電動(dòng)機(jī)扭矩的確定

由于電動(dòng)機(jī)具有低速恒扭矩的特性，因此電動(dòng)機(jī)的最大扭矩可由如下公式得到

Tmax=9 550*Pe/Ne

(6)

將上文得到唐駿歐鈴ZB1010BEVADA電動(dòng)貨車的電動(dòng)機(jī)額定功率和額定轉(zhuǎn)速帶入(6)式中，得Tmax=89.5N·m.因此，選擇電動(dòng)機(jī)的最大扭矩為100N·m,額定扭矩為45N·m.

結(jié)合以上確定的電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)，選擇96V的永磁無(wú)刷異步電動(dòng)機(jī).

1.2 變速器傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)

變速器傳動(dòng)比和檔位確定的原則:采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需要考慮兩個(gè)主要的動(dòng)力、阻力平衡點(diǎn).一是常規(guī)車速行駛的轉(zhuǎn)矩平衡點(diǎn)，二是最高車速下的轉(zhuǎn)矩平衡點(diǎn)[5].

1)如圖1所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速與基頻轉(zhuǎn)速比>2.5時(shí)，電動(dòng)機(jī)從基頻調(diào)速的范圍足夠大，選擇一個(gè)檔位即可滿足要求.但這種情況對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求較高，很難保證變頻器始終在高效率區(qū)域工作.

圖1 當(dāng)nmax/ne>2.5時(shí)電動(dòng)汽車功率平衡圖

2)如圖2所示，電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速與基頻轉(zhuǎn)速比≤2.5,此時(shí)電動(dòng)機(jī)從基頻向上調(diào)速范圍不夠?qū)?，?yīng)考慮增加一個(gè)檔位.

圖2 當(dāng)nmax/ne≤2.5時(shí)電動(dòng)汽車功率平衡圖

同時(shí)，純電動(dòng)微型貨車行駛在最高車速時(shí)，以最小的傳動(dòng)比檔位行駛；在最大爬坡度時(shí)，以最大傳動(dòng)比檔位行駛，并已知主減速比i0=4.4，最大、小變速器傳動(dòng)比范圍由以下兩式可得

(7)

(8)

在傳動(dòng)比允許的范圍內(nèi)，傳動(dòng)比越小，變速器設(shè)置的檔位越少，結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單.但是，較小的傳動(dòng)比，可能會(huì)造成爬坡性能的降低.唐駿歐鈴ZB1010BEVADA電動(dòng)貨車選擇的電動(dòng)機(jī)最高車速與額定車速之比恰為2.5,因此本設(shè)計(jì)選擇兩個(gè)檔位.結(jié)合(7)、(8)式得到的傳動(dòng)比的范圍，igmax≥1.988 5;igmin≤1.13，預(yù)設(shè)傳動(dòng)比ig1=1.99；ig2=1.13.

1.3 動(dòng)力電池的選型

純電動(dòng)汽車完全依賴電池的能量，在車輛大負(fù)荷工況下電池能及時(shí)提供后備功率，制動(dòng)時(shí)能吸收電能，因此要求蓄電池具有高比能量、大比功率以及長(zhǎng)循環(huán)使用壽命[6].當(dāng)前可用于電動(dòng)車的動(dòng)力電池主要有鉛酸電池、鋰離子電池、Ni-H電池、超級(jí)電容等.由于鉛酸電池技術(shù)比較成熟、價(jià)格便宜，設(shè)計(jì)中采用鉛酸電池.

鉛酸電池作為選擇對(duì)象，根據(jù)巡航時(shí)能量平衡公式計(jì)算所需電池的額定容量.

(9)

式中：A為電池額定容量；L為電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程km，ε為電池的放電深度

電池組的額定電壓U由選定的電動(dòng)機(jī)確定，取90%放電深度，將相關(guān)參數(shù)帶入上式得A=79.42A.考慮到電動(dòng)車上的其他電子元件以及放電過(guò)程中電壓的變化，為達(dá)到其動(dòng)力性能要求，選擇電池的額定容量為100Ah.

電池容量主要保證電動(dòng)車的動(dòng)力性要求和續(xù)駛里程的需要，可根據(jù)電動(dòng)機(jī)峰值功率和續(xù)駛里程選擇電池單體數(shù)目[7].所需要的電池單體數(shù)目為max {N1,N2}.

由電動(dòng)機(jī)峰值功率確定的電池單體數(shù)目為

(10)

式中:Pmax為電動(dòng)機(jī)峰值功率kW；Pbmax為單體蓄電池最大輸出功率kW；ηe為電動(dòng)機(jī)工作效率；ηec為電動(dòng)機(jī)控制器工作效率.

由續(xù)駛里程確定的電池單體數(shù)目為

(11)

式中:L為電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程km；Ui為單體蓄電池電壓(V)；Ci為單體電池額定容量(Ah)；W為電動(dòng)汽車行駛單位里程所消耗的能量kJ.

將相關(guān)參數(shù)帶入上式(10)～(11)計(jì)算得到N1=46.5；N2=47.2，所需要的電池單體數(shù)目為max{N1,N2}，因此選擇蓄電池的單體個(gè)數(shù)為48塊.

2 仿真建模與結(jié)果分析

2.1 基于AVL Cruise的純電動(dòng)車輛建模

AVL Cruise軟件是用于研究車輛動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能與制動(dòng)性能的高級(jí)仿真分析軟件.該軟件可以用于車輛開發(fā)過(guò)程中的動(dòng)力傳動(dòng)系的匹配、車輛性能預(yù)測(cè),還能夠?qū)旌蟿?dòng)力車和純電動(dòng)汽車進(jìn)行建模仿真和性能模擬.

基于Cruise平臺(tái),建立了如圖3所示的微型純電動(dòng)貨車模型.該模型主要包括車輪模型、主減速器模型、變速箱模型、電動(dòng)機(jī)模型、電池模型和駕駛員模型等.

圖3 整車模型

在整車模型完成后，設(shè)置各個(gè)模塊的參數(shù)，建立模塊之間的物理連接與信號(hào)連接，并通過(guò)添加相關(guān)的計(jì)算任務(wù)，使純電動(dòng)車運(yùn)行于某一設(shè)定工況.本研究根據(jù)城郊的交通狀況，添加了Climbing Performance，Constant Drive，F(xiàn)ull load Acceleration，Cycle run四個(gè)計(jì)算任務(wù)，分別驗(yàn)證設(shè)計(jì)車輛的爬坡性能、最高車速、加速性能、續(xù)駛里程.完成模型的搭建后運(yùn)行模型進(jìn)行任務(wù)計(jì)算.仿真數(shù)據(jù)結(jié)果將以文件形式自動(dòng)生成于Result Manger.

2.2 仿真結(jié)果分析與優(yōu)化

在預(yù)設(shè)傳動(dòng)比ig1=1.99；ig2=1.13情況下得到的仿真結(jié)果如圖4～5所示.

圖4 加速時(shí)間曲線圖(0～40km/h)

圖5 各擋最大爬坡度曲線圖

圖6 最高車速結(jié)果圖

由圖4～5可知，加速性能和爬坡性能均能滿足設(shè)計(jì)要求.在固定主減速比的情況下，爬坡性能主要受一檔傳動(dòng)比值的影響，圖5中，最大爬坡度恰能滿足動(dòng)力性能要求，因此說(shuō)明ig1選取值為最優(yōu).

由圖6可知，最高車速雖然能夠滿足動(dòng)力性能要求，但是存在一定的優(yōu)化區(qū)間.結(jié)果中優(yōu)化系數(shù)Ratio是指阻力功率與最高擋最大功率點(diǎn)相交得到的最高車速所對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)比與當(dāng)前最高檔傳動(dòng)比的比值.因此，在固定主減速比的情況下，ig2乘以優(yōu)化系數(shù)為二檔傳動(dòng)比理論最優(yōu)值.圖7中，續(xù)駛里程為82.8km較小于目標(biāo)值，由于能量守恒理論計(jì)算過(guò)程中，是在電池保持恒電壓的情況下進(jìn)行的，而實(shí)際電池放電中，電池電壓是在不斷降低的，由此造成了仿真結(jié)果略小于理論值.因此需要對(duì)蓄電池的額定容量進(jìn)行優(yōu)化.二檔傳動(dòng)比與電池額定容量?jī)?yōu)化后的仿真結(jié)果見表3.

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)ig1=1.99；ig2=1.09，電池的額定容量為105Ah時(shí)，剛好達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求.在設(shè)計(jì)階段,通過(guò)使用Cruise對(duì)整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配，不僅提高了整車的性能，而且縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本，縮短了反饋鏈.

表3 優(yōu)化后的仿真結(jié)果

圖7 續(xù)駛里程圖(40km/h)

3 結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是汽車的核心組成部分，對(duì)于純電動(dòng)車來(lái)說(shuō)顯得尤為重要.本設(shè)計(jì)采用手動(dòng)變速箱與主減速器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳動(dòng)，由于微型貨車區(qū)別于微型轎車，故采用手動(dòng)檔能快速的提高汽車的動(dòng)力性能，擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)在高效率區(qū)的工作范圍，減少加速時(shí)間，延長(zhǎng)續(xù)駛里程.

本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)唐駿歐鈴ZB1010BEVADA電動(dòng)貨車進(jìn)行實(shí)例分析，按照動(dòng)力性能指標(biāo)選定電動(dòng)機(jī)與電池，并預(yù)設(shè)傳動(dòng)比的范圍.結(jié)合AVL Cruise 軟件，建立整車仿真模型，通過(guò)預(yù)設(shè)各檔傳動(dòng)比，添加計(jì)算任務(wù)進(jìn)行仿真計(jì)算.結(jié)果表明：本次設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化對(duì)純電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)的匹配具有較強(qiáng)的可行性和合理性，并大大縮減了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的繁雜驗(yàn)證優(yōu)化過(guò)程.

[1]余志生.汽車?yán)碚揫M]. 5版.北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社,2009:30-31.

[2]翟麗,孫逢春.電動(dòng)轎車機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配計(jì)算與仿真[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,3(10):869-873.

[3]戴天祿.純電動(dòng)車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)及匹配[C]//中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集,2011, 2(1):1 283-1 286.

[4]曾虎,黃菊花.純電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)與變速器匹配[J].裝備制造技術(shù)刊,2010,12(2):40-42.

[5]朱正禮,殷承良,張建武.基于遺傳算法的純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成參數(shù)優(yōu)化[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2004,38(11):1 907-1 972.

[6]常綠.純電動(dòng)微型汽車動(dòng)力傳動(dòng)系參數(shù)設(shè)計(jì)及動(dòng)力性仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010(6):43-45.

[7]姬芬竹,高峰.電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配[J].華南理工大學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2006,32(4):33-37.