某純電動(dòng)全地形車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真

李崧

江蘇林海動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇泰州 225300

0 引言

全地形車(chē)是一種主要用于休閑娛樂(lè)和日常實(shí)用的動(dòng)力運(yùn)動(dòng)裝備，其主要銷(xiāo)售市場(chǎng)在北美和歐洲。隨著歐美國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的不斷提高，在全球推崇碳中和和電動(dòng)化的大趨勢(shì)下，純電動(dòng)全地形車(chē)有望成為未來(lái)發(fā)展的新趨勢(shì)。

純電動(dòng)全地形車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性反映了動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平，是消費(fèi)者、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手和企業(yè)自身都關(guān)注的需求，也是體現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)力的需求，而滿(mǎn)足這些需求的關(guān)鍵在于純電動(dòng)全地形車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的合理設(shè)計(jì)。

本文根據(jù)性能指標(biāo)并通過(guò)理論計(jì)算確定了某純電動(dòng)全地形車(chē)電機(jī)參數(shù)和傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比的范圍[1]。由于同樣功率的電機(jī)具有不同的驅(qū)動(dòng)特性，通過(guò)仿真分析優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比，滿(mǎn)足了該純電動(dòng)全地形車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求。

1 基本參數(shù)及性能目標(biāo)

某純電動(dòng)全地形車(chē)的整車(chē)基本參數(shù)見(jiàn)表1，整車(chē)性能目標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 整車(chē)基本參數(shù)

表2 整車(chē)性能目標(biāo)

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

電機(jī)參數(shù)的設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足最高車(chē)速、加速性能和爬坡性能指標(biāo)的要求[2]。

純電動(dòng)全地形車(chē)最高車(chē)速要求所消耗的電功率為

(1)

式中：Pv為最高車(chē)速行駛時(shí)消耗的功率，kW；ηt為傳動(dòng)系統(tǒng)效率；M為滿(mǎn)載質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；vmax為最高車(chē)速，km/h；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2。

純電動(dòng)全地形車(chē)在水平路面上加速行駛所消耗的功率為

(2)

式中：Pj為加速至速度v時(shí)消耗的功率，kW；v為車(chē)輛行駛速度，km/h；δ為車(chē)輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；dv/dt為行駛加速度。

純電動(dòng)全地形車(chē)以某一速度v爬上一定坡度所消耗的功率為

(3)

式中：Pi為以速度v爬坡時(shí)消耗的功率，kW；α為爬坡角度。

根據(jù)公式(1)～(3)可計(jì)算出純電動(dòng)全地形車(chē)滿(mǎn)足最高車(chē)速、加速時(shí)間、最大爬坡時(shí)所需的電機(jī)功率需求，具體見(jiàn)表3。

表3 電機(jī)功率需求 單位:kW

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率應(yīng)該滿(mǎn)足純電動(dòng)全地形車(chē)在最高車(chē)速時(shí)消耗的功率需求，而最大功率則應(yīng)該能夠滿(mǎn)足加速和最大爬坡階段消耗的功率要求。

由表3可知，電機(jī)額定功率Pe應(yīng)大于4.1 kW，電機(jī)的最大功率Pmax應(yīng)大于14 kW。按此要求所選電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 電機(jī)基本參數(shù)

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

某純電動(dòng)全地形車(chē)采用一擋傳動(dòng)形式，傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足最高車(chē)速和最大爬坡度的要求。

由電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速和電動(dòng)全地形車(chē)最高車(chē)速確定的傳動(dòng)系統(tǒng)速比上限為

(4)

式中：i為傳動(dòng)比；nmax為電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速，r/min；rd為車(chē)輪滾動(dòng)半徑，m；vmax為最高車(chē)速，km/h。

傳動(dòng)系統(tǒng)速比下限由下述兩種方法計(jì)算出的最大值確定。

方法一，由電機(jī)最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的輸出扭矩和電動(dòng)全地形車(chē)最高車(chē)速對(duì)應(yīng)的行駛阻力確定的傳動(dòng)比下限為

(5)

式中：Tnmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速時(shí)輸出的扭矩，N·m。

方法二，由電機(jī)最大扭矩和電動(dòng)全地形車(chē)最大爬坡度對(duì)應(yīng)的行駛阻力確定的傳動(dòng)比下限為

(6)

式中：Tmax為電機(jī)的最大扭矩，N·m。

根據(jù)公式(4)～(6)可計(jì)算出傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比為11.93≤i≤14.48。

3 傳動(dòng)比優(yōu)化

在AVL-CRUISE軟件中搭建純電動(dòng)全地形車(chē)仿真模型[3]，如圖1所示。

圖1 某純電動(dòng)全地形車(chē)仿真模型

通過(guò)使用CRUISE軟件中的Matrix calculation計(jì)算模式可以快速進(jìn)行矩陣運(yùn)算，對(duì)傳動(dòng)比范圍內(nèi)的取值進(jìn)行組合運(yùn)算[4]。本文選擇在傳動(dòng)比范圍內(nèi)以等步長(zhǎng)取10進(jìn)行計(jì)算[2]，不同傳動(dòng)比性能仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 不同傳動(dòng)比性能仿真結(jié)果對(duì)比

傳動(dòng)比變化對(duì)整車(chē)性能曲線(xiàn)的影響如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)比變化對(duì)整車(chē)性能曲線(xiàn)的影響

由圖2可以看到，隨著傳動(dòng)比的增大，最高車(chē)速、0～30 km/h的加速時(shí)間、30 km/h等速百公里耗電量會(huì)減小，而20 km/h的最大爬坡度會(huì)增加。這些變化呈線(xiàn)性趨勢(shì)，但是無(wú)法在特定的傳動(dòng)比下同時(shí)獲得最佳性能。因此，必須對(duì)多個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行平衡，以確定最佳的傳動(dòng)比。

在進(jìn)行傳動(dòng)比的綜合性能評(píng)估時(shí)，必須確保符合整車(chē)性能目標(biāo)設(shè)計(jì)的要求。本文采用了一種基于權(quán)重系數(shù)的車(chē)輛綜合性能評(píng)價(jià)體系[5]，該評(píng)價(jià)體系的總體評(píng)價(jià)公式為：

(7)

a+b+c+d=100%

(8)

式中：Ki為某傳動(dòng)比綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；a，b，c，d分別為最高車(chē)速、最大爬坡度、加速時(shí)間、百公里耗電量的權(quán)重系數(shù)；vi為某傳動(dòng)比最高車(chē)速，km/h；vmax_all為所有傳動(dòng)比中的最高車(chē)速，km/h；tmin_all為所有傳動(dòng)比中0～30 km/h最短加速時(shí)間，s；t為某傳動(dòng)比0～30 km/h加速時(shí)間，s；ii為20 km/h時(shí)某傳動(dòng)比最大爬坡度，%；imax_all為20 km/h時(shí)所有傳動(dòng)比中的最大爬坡度，%；Emin_all為所有傳動(dòng)比中30 km/h等速百公里最小耗電量，kWh；E為某傳動(dòng)比30 km/h等速百公里耗電量，kWh。

根據(jù)客戶(hù)對(duì)性能需求的關(guān)注程度，可設(shè)定最高車(chē)速權(quán)重系數(shù)為40%，爬坡度權(quán)重系數(shù)為30%、百公里耗電量權(quán)重系數(shù)為20%，加速時(shí)間權(quán)重系數(shù)為10%，將表5中數(shù)據(jù)代入公式(7)可計(jì)算出各傳動(dòng)比的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，具體見(jiàn)表6。

表6 各傳動(dòng)比綜合評(píng)價(jià)指數(shù)

由表6可以看出，傳動(dòng)比i為13.75時(shí)，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)最高，因此優(yōu)化后選取傳動(dòng)比i=13.75。

4 性能仿真分析

當(dāng)傳動(dòng)比i為13.75時(shí)，在軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算，可得到某純電動(dòng)全地形車(chē)30 km/h等速百公里耗電量為4.17 kWh，驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力隨速度變化曲線(xiàn)如圖3所示，加速性能曲線(xiàn)如圖4所示，爬坡性能仿真曲線(xiàn)如圖5所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力隨速度變化曲線(xiàn)

圖4 加速性能仿真曲線(xiàn)

圖5 爬坡性能仿真曲線(xiàn)

由圖3可以看出，某純電動(dòng)全地形車(chē)最高車(chē)速為42 km/h；由圖4可以看出，0～30 km/h的加速時(shí)間為4.4 s；由圖5可以看出，20 km/h速度時(shí)的爬坡性能為40.2%。

性能仿真分析結(jié)果見(jiàn)表7。由表可知，某純電動(dòng)全地形車(chē)仿真結(jié)果滿(mǎn)足性能目標(biāo)的要求。

表7 性能仿真分析結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

以某純電動(dòng)全地形車(chē)為例，經(jīng)過(guò)對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算，以及通過(guò)仿真軟件的驗(yàn)證，證明了該設(shè)計(jì)參數(shù)符合整車(chē)性能要求，達(dá)到預(yù)期效果，對(duì)于后續(xù)純電動(dòng)全地形車(chē)的初期設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。