雙電機工程搶險救援車參數(shù)匹配與仿真

肖永玖 ， 焦生杰 ， 王慶先

（1.長安大學(xué)公路養(yǎng)護裝備國家工程實驗室，陜西 西安 710000；2.江蘇集萃道路工程技術(shù)與裝備研究所有限公司，江蘇 徐州 221000）

近年來，以電動化為代表的新能源工程機械迅速發(fā)展。根據(jù)“十四五”規(guī)劃，到2023年，電動車輛占比將超過內(nèi)燃車輛，到2025年，電動車輛占比將達到65%以上[1]。電動汽車作為一項新興產(chǎn)業(yè)，在我國有著得天獨厚的發(fā)展條件，但目前電動汽車的續(xù)駛里程和初始成本高是其研發(fā)和發(fā)展路上的瓶頸與障礙[2]。電池是電動汽車的唯一能量源，電機是電動汽車的唯一動力源[3]，合理匹配純電動汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)，有助于純電動汽車獲得良好的動力性和經(jīng)濟性[4]。研究小組根據(jù)某雙電機小型搶險救援車的設(shè)計參數(shù)和性能參數(shù)對車輛的電機參數(shù)、電池參數(shù)和傳動系統(tǒng)進行了參數(shù)匹配，并根據(jù)匹配后的整車參數(shù)，采用AVL Cruise軟件進行車輛建模仿真分析，驗證了該救援車的動力性與經(jīng)濟性。

1 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與計算

1.1 雙電機救援車基本參數(shù)與性能指標(biāo)

原車輛的整車主要參數(shù)，如表1所示。

表1 整車主要參數(shù)

原車輛的動力性指標(biāo)與經(jīng)濟性指標(biāo)，如表2所示。

表2 車輛動力性指標(biāo)與經(jīng)濟性指標(biāo)

1.2 電機參數(shù)計算

1.2.1 電機的峰值功率

整車的電機峰值功率應(yīng)同時滿足以最高車速行駛下的最高功率、進行最大爬坡度時的需求功率以及滿足加速時間的需求功率。

式中，Pmax為整車峰值功率；Pmax1為最高車速行駛下的需求功率；Pmax2為進行最大爬坡度時需求的電機功率；Pmax3為滿足加速時間的需求功率。

Pmax=22.65 kW，考慮到電氣元件的消耗，為保證車輛在爬坡時穩(wěn)定行駛，動力系統(tǒng)需要一定的功率余量，故暫取30 kW。

1.2.2 電機的額定功率

驅(qū)動電機的峰值功率與額定功率存在以下關(guān)系：

式中，Pe為電機的額定功率；λ為電機過載系數(shù)，本研究中λ取2。

綜上，電機的額定功率為15 kW，峰值功率為30 kW。

1.2.3 電機轉(zhuǎn)速

根據(jù)最高車速，并綜合考慮電機的負載、體積以及其他性能，暫選交流異步電機。最高轉(zhuǎn)速高于6 000 r/min的交流電機稱為高速電機，其制造成本高且工藝復(fù)雜。以下為普通電機，故暫取電機最高轉(zhuǎn)速為：

電機的額定轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為：

式中，β為電機擴大恒功率區(qū)系數(shù)，本研究取β=2，故ne=3 000 r/min。

1.2.4 電機轉(zhuǎn)矩

最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的計算公式為：

計算可得，最大轉(zhuǎn)矩Tmax=95.5 N·m，額定轉(zhuǎn)矩Te=47.5 N·m。

綜上，可得到電機總的需求功率，再根據(jù)目前市場上的電機型號，綜合考慮成本以及電機效率，暫取兩臺同型號額定功率為7.5 kW，峰值功率為15 kW，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為23.75 N·m，最高轉(zhuǎn)矩為47.5 N·m的交流異步電機。

1.3 傳動比參數(shù)計算

傳動比的上限與最高車速有關(guān)，即：

傳動比的下限與車輛最高速度行駛時的阻力有關(guān)，即：

計算可得0.98≤i0≤17.24，考慮到救援車最高速度無需過大，暫取i0=16。

1.4 電池組參數(shù)計算

動力電池作為救援車的唯一能量來源，電池的選擇對整車動力性及經(jīng)濟性有極大的影響[5]。因此，需要根據(jù)動力性以及經(jīng)濟性指標(biāo)匹配合適的電池。動力電池所提供的能量需滿足以下關(guān)系式：

式中，m為整車計算質(zhì)量，單位為kg；g為重力加速度，單位為m/s2；f為滾動阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，單位為m2；vavg為平均車速，單位為km/h；ηt為傳動系效率；ηm為電機及控制器效率；ηb為動力電池放電效率；nacc為電動附件能耗系數(shù)；DOD為動力電池放電深度；Ue為動力電池組額定電壓，單位為V；d1為續(xù)駛里程，單位為km；Ce為電池容量，單位為AH。

計算可得，WB=11.26 kW·h，CB=156。

2 整車建模及仿真分析

2.1 整車建模

根據(jù)整車參數(shù)，包括電機參數(shù)、電池參數(shù)和傳動比參數(shù)，使用AVL Cruise[6]軟件建立仿真模型，如圖1所示。

圖1 工程救援車Cruise仿真模型

2.2 仿真結(jié)果

在AVL Cruise軟件中分別建立低速NEDC經(jīng)濟性任務(wù)、最大牽引力、最大爬坡度以及0～45 km/h加速動力性任務(wù)，仿真結(jié)果如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖2 低速NEDC續(xù)駛里程/km

圖3 最大牽引力/N

圖4 最大爬坡度/%

圖5 0～45 km/h加速性能

3 結(jié)論

研究小組根據(jù)雙電機四驅(qū)工程搶險救援車的動力性參數(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟性參數(shù)指標(biāo)，對救援車的電池、電機以及高速擋傳動比進行了計算和選型，并得到匹配參數(shù)；通過AVL Cruise軟件對工程救援車進行動力性和經(jīng)濟性仿真分析。結(jié)果表明，在低速的NEDC工況下，救援車的續(xù)航為141 km，最大爬坡度為82%，最大牽引力為8 105 N，0 km/h～45 km/h的加速時間為4.88 s，救援車的參數(shù)指標(biāo)均滿足動力性和經(jīng)濟性的要求。