白剛

摘 要：文章根據(jù)一項研究課題對設(shè)計的一種小型電動清掃車的動力性進行了設(shè)計研究，對電動機以及電池參數(shù)進行了理論匹配設(shè)計，然后采用Advisor汽車動力仿真軟件對其動力性進行了仿真分析，得到結(jié)果為：UDDS工況下，該電動清掃車在負載200kg的情況下以20km/h可勻速行駛35.5km，結(jié)果說明了匹配參數(shù)的合理性，并在此基礎(chǔ)之上，通過在Advisor中修改參數(shù)的方式做了進一步優(yōu)化，結(jié)果表明，通過減輕整車質(zhì)量，縮減迎風(fēng)面積，減小風(fēng)阻系數(shù)等手段，可提高整車動力性能及續(xù)駛里程。

關(guān)鍵詞：動力性；參數(shù)匹配；仿真分析；優(yōu)化

1 概述

電動清掃車作為一種新興的道路清掃工具，與傳動燃油車相比具有能源來源廣、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。但其動力性、續(xù)駛里程等問題制約了其在現(xiàn)實生活中的推廣[1]。文章針對這樣的問題，對某一小型電動清掃車動力系統(tǒng)進行設(shè)計研究，并通過動力仿真軟件對其動力性進行仿真分析，并對相關(guān)的匹配參數(shù)進一步的優(yōu)化，得出優(yōu)化結(jié)論，為電動清掃車的動力系統(tǒng)設(shè)計研究提供一定的理論依據(jù)。

2 動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)匹配

動力傳動系統(tǒng)參數(shù)的選擇內(nèi)容如下：合適的電動機參數(shù)、傳動比和動力電池組的容量，目的是達到電動清掃車動力性及續(xù)駛里程的要求[2]。

2.1 設(shè)計要求

根據(jù)實際工況要求，該小型電動清掃車動力設(shè)計要求如表1所示：

表1 動力性要求

2.2 電動機參數(shù)選擇

電動機作為電動清掃車的主要動力來源，其功率會直接影響到整車動力性能，大功率電機的加速性能、最大爬坡度都比較優(yōu)良，但是其體積與質(zhì)量也比較大，對于小型電動清掃車而言，其續(xù)駛里程就會受到影響[3]。文章選擇直流電機作為動力系統(tǒng)驅(qū)動源，根據(jù)最高車速確定電機的最大功率Pmax1；根據(jù)整車以速度vi行駛的最大爬坡度確定Pmax2；根據(jù)加速性能確定Pmax3，動力源總功率 Pmax必須要滿足上述三項指標(biāo)的設(shè)計要求[4]，即

驅(qū)動電機的額定功率可由峰值功率求得：

（2）

式中λ為過載系數(shù)。

2.3 傳動比設(shè)計

汽車傳動系主要功能：第一是把驅(qū)動電機輸出軸上的轉(zhuǎn)矩按總傳動比放大，傳送至驅(qū)動輪上；第二是把驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速按總傳動比縮小，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的車速[5]；設(shè)計時要求電動機既能在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提供較高的瞬時轉(zhuǎn)矩，又能在恒功率區(qū)提供較高的運行速度[6]。

（1）傳動系的總傳動比上限。

傳動系總傳動比上限即最小傳動比imin是變速器最高檔速比與主減速器速比的乘積，由電動機的最高轉(zhuǎn)速和電動汽車的最高車速決定：

（3）

式中：nmax為電機最高轉(zhuǎn)速，vmax為最高車速，r為車輪滾動半徑。

（2）傳動系的總傳動比下限。

傳動系總傳動比上限即最小傳動比imax由電動機最大輸出轉(zhuǎn)矩和最大爬坡度確定：

（4）

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

2.4 電池組容量的選擇

在保證電動清掃車的動力性及續(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)壽命長且沒有記憶效應(yīng)等特點，文章選用了磷酸鐵鋰電池組，電池數(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為電機工作功率，ηec為電機控制器工作功率。

（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

理論計算需要的設(shè)計參數(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)條件下利用車輛各部分參數(shù)，能快速地分析傳統(tǒng)汽車、純電動汽車和混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性、動力性以及排放性等各種性能[9-10]。文章通過advisor軟件建立電動清掃車汽車模型，對車輛模塊及動力電池模塊進行重新修改預(yù)定義，表3為仿真模型參數(shù)。

4 仿真分析

4.1 動力性能仿真結(jié)果

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

表4為該電動清掃車動力仿真結(jié)果，如表所示，該車動力性能符合設(shè)計要求。

4.2 續(xù)駛里程分析結(jié)果

圖3為該電動清掃車在UDDS工況下車速和蓄電池SOC隨時間變化情況，由圖可以看出來，在模擬完一個工況之后蓄電池SOC下降了3.5%左右。

該小型電動清掃車?yán)m(xù)駛里程的分析結(jié)果與其行駛模式和實際工況有關(guān)系，文章選擇蓄電池純電動續(xù)駛里程仿真計算，在UDDS工況下，該電動清掃車在200kg的載荷下，以20km/h勻速行駛可以持續(xù)運行35.5km，滿足設(shè)計要求。

5 設(shè)計優(yōu)化

本課題針對設(shè)計的小型電動清掃車做出進一步的改進，整車質(zhì)量上，由原來的600kg變?yōu)?00kg，負載由原來的200kg變?yōu)?50kg，將風(fēng)阻系數(shù)改為0.25，迎風(fēng)面積改為1.3m2，再對其進行整車動力性能及續(xù)駛里程進行分析，得到結(jié)果如表5所示：

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

6 結(jié)束語

通過利用advisor汽車動力仿真軟件，對設(shè)計的小型電動清掃車進行動力性以及續(xù)駛里程仿真分析，結(jié)果顯示該電動清掃車的動力性能及續(xù)駛里程都滿足設(shè)計要求。在此基礎(chǔ)上，又對其進行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化結(jié)果顯示：整車質(zhì)量、風(fēng)阻系數(shù)以及迎風(fēng)面積對該電動清掃車的動力性及續(xù)駛里程有一定的影響，這為電動清掃車的設(shè)計提供了理論參照。

參考文獻

[1]吳秋德.電動汽車動力系統(tǒng)匹配設(shè)計及性能仿真研究[D].吉林大學(xué)，2011.

[2]秦東晨，謝銀倩，潘守辰，等.某純電動汽車動力系統(tǒng)的建模與仿真分析研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2013，05：48-51+73.

[3]鐘磊，高松，張令勇.純電動轎車動力傳動裝置參數(shù)匹配與動力性仿真[J].山東理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，24（1）：78-79.

[4]周蘇，牛繼高，陳鳳祥，等.增程式電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計與仿真研究[J].汽車工程，2011，11：924-929.

[5]陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002：91-92.

[6]Ehsani Mehrdad，Gao Yimin，Gay，et al.現(xiàn)代電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池車—基本原理、理論和設(shè)計[M].倪光正，倪培宏，熊素銘，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[7]陳樹勇，仇斌，陳全世，等.電電混合燃料電池城市客車動力系統(tǒng)建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20（14）：3833-3837.

[8]李斌，陳全世.混合動力電動汽車中電池特性的研究[J].汽車技術(shù)，1997.

[9]秦緒鑫.基于advisor的復(fù)合電源電動汽車仿真軟件的開發(fā)[D].長安：長安大學(xué)汽車學(xué)院，2010：18-23.

[10]SUPPESG J.Roles of plug-in hybrid electric vehicles in the transition to the hydrogen economy[J].International Journal of Hydrogen Energy，2006（31）：353-360.