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        某小型電動(dòng)清掃車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析研究

        2017-02-21 18:58:36白剛
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年36期
        關(guān)鍵詞:仿真分析動(dòng)力性優(yōu)化

        白剛

        摘 要:文章根據(jù)一項(xiàng)研究課題對(duì)設(shè)計(jì)的一種小型電動(dòng)清掃車(chē)的動(dòng)力性進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究,對(duì)電動(dòng)機(jī)以及電池參數(shù)進(jìn)行了理論匹配設(shè)計(jì),然后采用Advisor汽車(chē)動(dòng)力仿真軟件對(duì)其動(dòng)力性進(jìn)行了仿真分析,得到結(jié)果為:UDDS工況下,該電動(dòng)清掃車(chē)在負(fù)載200kg的情況下以20km/h可勻速行駛35.5km,結(jié)果說(shuō)明了匹配參數(shù)的合理性,并在此基礎(chǔ)之上,通過(guò)在Advisor中修改參數(shù)的方式做了進(jìn)一步優(yōu)化,結(jié)果表明,通過(guò)減輕整車(chē)質(zhì)量,縮減迎風(fēng)面積,減小風(fēng)阻系數(shù)等手段,可提高整車(chē)動(dòng)力性能及續(xù)駛里程。

        關(guān)鍵詞:動(dòng)力性;參數(shù)匹配;仿真分析;優(yōu)化

        1 概述

        電動(dòng)清掃車(chē)作為一種新興的道路清掃工具,與傳動(dòng)燃油車(chē)相比具有能源來(lái)源廣、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。但其動(dòng)力性、續(xù)駛里程等問(wèn)題制約了其在現(xiàn)實(shí)生活中的推廣[1]。文章針對(duì)這樣的問(wèn)題,對(duì)某一小型電動(dòng)清掃車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究,并通過(guò)動(dòng)力仿真軟件對(duì)其動(dòng)力性進(jìn)行仿真分析,并對(duì)相關(guān)的匹配參數(shù)進(jìn)一步的優(yōu)化,得出優(yōu)化結(jié)論,為電動(dòng)清掃車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究提供一定的理論依據(jù)。

        2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配

        動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的選擇內(nèi)容如下:合適的電動(dòng)機(jī)參數(shù)、傳動(dòng)比和動(dòng)力電池組的容量,目的是達(dá)到電動(dòng)清掃車(chē)動(dòng)力性及續(xù)駛里程的要求[2]。

        2.1 設(shè)計(jì)要求

        根據(jù)實(shí)際工況要求,該小型電動(dòng)清掃車(chē)動(dòng)力設(shè)計(jì)要求如表1所示:

        表1 動(dòng)力性要求

        2.2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇

        電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)清掃車(chē)的主要?jiǎng)恿?lái)源,其功率會(huì)直接影響到整車(chē)動(dòng)力性能,大功率電機(jī)的加速性能、最大爬坡度都比較優(yōu)良,但是其體積與質(zhì)量也比較大,對(duì)于小型電動(dòng)清掃車(chē)而言,其續(xù)駛里程就會(huì)受到影響[3]。文章選擇直流電機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)源,根據(jù)最高車(chē)速確定電機(jī)的最大功率Pmax1;根據(jù)整車(chē)以速度vi行駛的最大爬坡度確定Pmax2;根據(jù)加速性能確定Pmax3,動(dòng)力源總功率 Pmax必須要滿(mǎn)足上述三項(xiàng)指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求[4],即

        驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率可由峰值功率求得:

        (2)

        式中λ為過(guò)載系數(shù)。

        2.3 傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

        汽車(chē)傳動(dòng)系主要功能:第一是把驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)矩按總傳動(dòng)比放大,傳送至驅(qū)動(dòng)輪上;第二是把驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速按總傳動(dòng)比縮小,轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的車(chē)速[5];設(shè)計(jì)時(shí)要求電動(dòng)機(jī)既能在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提供較高的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩,又能在恒功率區(qū)提供較高的運(yùn)行速度[6]。

        (1)傳動(dòng)系的總傳動(dòng)比上限。

        傳動(dòng)系總傳動(dòng)比上限即最小傳動(dòng)比imin是變速器最高檔速比與主減速器速比的乘積,由電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和電動(dòng)汽車(chē)的最高車(chē)速?zèng)Q定:

        (3)

        式中:nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速,vmax為最高車(chē)速,r為車(chē)輪滾動(dòng)半徑。

        (2)傳動(dòng)系的總傳動(dòng)比下限。

        傳動(dòng)系總傳動(dòng)比上限即最小傳動(dòng)比imax由電動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩和最大爬坡度確定:

        (4)

        式中:f為滾動(dòng)阻力系數(shù),αmax為最大爬坡度,Tmax為最大輸出轉(zhuǎn)矩,η為傳動(dòng)系總效率。

        2.4 電池組容量的選擇

        在保證電動(dòng)清掃車(chē)的動(dòng)力性及續(xù)駛里程的前提下,最大輸出功率和能量是電池組容量最主要考慮因素[7]。當(dāng)今,鋰電池作為最具有發(fā)展前景的電池之一,具有能量密度高,充電效率高,循環(huán)壽命長(zhǎng)且沒(méi)有記憶效應(yīng)等特點(diǎn),文章選用了磷酸鐵鋰電池組,電池?cái)?shù)目由以下兩種方法確定[8]:

        (1)以最大功率選擇

        (5)

        式中:Pbmax為電池最大輸出功率,ηe為電機(jī)工作功率,ηec為電機(jī)控制器工作功率。

        (2)以續(xù)駛里程選擇

        (6)

        式中:L為續(xù)駛里程,W為行駛1km所消耗的能量,Vi為單電池電壓,Cr為單節(jié)電池額定容量;

        2.5 匹配結(jié)果

        理論計(jì)算需要的設(shè)計(jì)參數(shù)以及最終確定的匹配參數(shù)如表2所示:

        3 仿真模型的建立

        advisor在給定的道路循環(huán)條件下利用車(chē)輛各部分參數(shù),能快速地分析傳統(tǒng)汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及排放性等各種性能[9-10]。文章通過(guò)advisor軟件建立電動(dòng)清掃車(chē)汽車(chē)模型,對(duì)車(chē)輛模塊及動(dòng)力電池模塊進(jìn)行重新修改預(yù)定義,表3為仿真模型參數(shù)。

        4 仿真分析

        4.1 動(dòng)力性能仿真結(jié)果

        圖1為車(chē)速隨時(shí)間變化關(guān)系曲線(xiàn),可以從圖中看出,最大車(chē)速為51km/h,其余皆與理論分析結(jié)果吻合,符合設(shè)計(jì)要求;圖2為SOC隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。

        表4為該電動(dòng)清掃車(chē)動(dòng)力仿真結(jié)果,如表所示,該車(chē)動(dòng)力性能符合設(shè)計(jì)要求。

        4.2 續(xù)駛里程分析結(jié)果

        圖3為該電動(dòng)清掃車(chē)在UDDS工況下車(chē)速和蓄電池SOC隨時(shí)間變化情況,由圖可以看出來(lái),在模擬完一個(gè)工況之后蓄電池SOC下降了3.5%左右。

        該小型電動(dòng)清掃車(chē)?yán)m(xù)駛里程的分析結(jié)果與其行駛模式和實(shí)際工況有關(guān)系,文章選擇蓄電池純電動(dòng)續(xù)駛里程仿真計(jì)算,在UDDS工況下,該電動(dòng)清掃車(chē)在200kg的載荷下,以20km/h勻速行駛可以持續(xù)運(yùn)行35.5km,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

        5 設(shè)計(jì)優(yōu)化

        本課題針對(duì)設(shè)計(jì)的小型電動(dòng)清掃車(chē)做出進(jìn)一步的改進(jìn),整車(chē)質(zhì)量上,由原來(lái)的600kg變?yōu)?00kg,負(fù)載由原來(lái)的200kg變?yōu)?50kg,將風(fēng)阻系數(shù)改為0.25,迎風(fēng)面積改為1.3m2,再對(duì)其進(jìn)行整車(chē)動(dòng)力性能及續(xù)駛里程進(jìn)行分析,得到結(jié)果如表5所示:

        由表5可以得到:減輕整車(chē)質(zhì)量以及負(fù)載,減小風(fēng)阻系數(shù)以及整車(chē)迎風(fēng)面積,可以在一定程度上提高該電動(dòng)清掃車(chē)的動(dòng)力性能及續(xù)駛里程。

        6 結(jié)束語(yǔ)

        通過(guò)利用advisor汽車(chē)動(dòng)力仿真軟件,對(duì)設(shè)計(jì)的小型電動(dòng)清掃車(chē)進(jìn)行動(dòng)力性以及續(xù)駛里程仿真分析,結(jié)果顯示該電動(dòng)清掃車(chē)的動(dòng)力性能及續(xù)駛里程都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。在此基礎(chǔ)上,又對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化結(jié)果顯示:整車(chē)質(zhì)量、風(fēng)阻系數(shù)以及迎風(fēng)面積對(duì)該電動(dòng)清掃車(chē)的動(dòng)力性及續(xù)駛里程有一定的影響,這為電動(dòng)清掃車(chē)的設(shè)計(jì)提供了理論參照。

        參考文獻(xiàn)

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