陶曉娟　湯輝

【摘 要】文章以微型電動(dòng)車為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，根據(jù)整車參數(shù)的特征，以各部件的設(shè)計(jì)理論為依據(jù)，首先制定太陽能電動(dòng)車動(dòng)力傳動(dòng)方案，然后對(duì)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，最后在汽車動(dòng)力性理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)行動(dòng)力性相關(guān)計(jì)算，并運(yùn)用matlab軟件進(jìn)行太陽能電動(dòng)車的動(dòng)力性仿真分析，得到驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力平衡圖、功率平衡圖、爬坡度曲線圖及加速度特性曲線圖，完成了整車設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件的校核工作。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)車；動(dòng)力參數(shù)；MATLAB；匹配設(shè)計(jì)；校核

【中圖分類號(hào)】U469.72.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）01-0022-05

0 前言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)于資源的消耗也越來越大，環(huán)境污染帶來的一系列問題使得政府及廣大消費(fèi)者對(duì)新能源汽車的渴求越來越強(qiáng)烈，新能源汽車成為新一輪汽車工業(yè)的重大發(fā)展使命。

本文以微型電動(dòng)車設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，整個(gè)設(shè)計(jì)的過程會(huì)考慮很多因素，例如根據(jù)汽車?yán)碚撝衅嚨墓β使剑浩嚨馁|(zhì)量越小則汽車在行駛的過程中功率消耗就會(huì)越低。相對(duì)其他轎車而言，太陽能電動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程短且最高行駛速度低。為了克服這些缺點(diǎn)，將輕量化的思想灌入太陽能電動(dòng)車設(shè)計(jì)中，以某微型電動(dòng)車（smart fortwo）為原型，進(jìn)行設(shè)計(jì)的改進(jìn)。

太陽能電動(dòng)車是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，只有各個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)而又穩(wěn)定地工作，才能保證整車的正常運(yùn)行，因此太陽能電動(dòng)車的設(shè)計(jì)是一個(gè)嚴(yán)密而又繁瑣的工作，一般依據(jù)如圖1所示的流程進(jìn)行，其中動(dòng)力參數(shù)的匹配是電動(dòng)車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，不僅關(guān)系到電動(dòng)車的動(dòng)力性問題，還對(duì)整個(gè)汽車的車身布置、整車質(zhì)量、行駛可靠性產(chǎn)生影響。

確定設(shè)計(jì)的整車參數(shù)是整個(gè)設(shè)計(jì)過程的輸入條件，后續(xù)的造型設(shè)計(jì)、動(dòng)力匹配等都是圍繞著滿足整車參數(shù)來進(jìn)行的。本文確定電動(dòng)車的整體參數(shù)見表1，從整車總體來看，其車身外輪廓比較小，不僅可以節(jié)省功率，還可以在交通擁堵的城市間自由穿梭。總之，電動(dòng)車使用起來較為方便，且安全性能高、環(huán)保無污染。

目前，電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)方案主要有2種：第一種是傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式（如圖2所示）；這種傳動(dòng)方式容易實(shí)現(xiàn)，只是將傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)替換為電動(dòng)機(jī)，但缺點(diǎn)是傳動(dòng)線路長(zhǎng)，因此消耗能量高、噪音較大、整車質(zhì)量重、行駛時(shí)速度低、行車距離短。

第二種方式是減速型驅(qū)動(dòng)方式（如圖3所示），它與傳統(tǒng)型驅(qū)動(dòng)方式相比，具有經(jīng)濟(jì)節(jié)能、低碳環(huán)保、輕量化等特點(diǎn)，雖然它的控制系統(tǒng)稍微復(fù)雜，但在未來，電動(dòng)車肯定會(huì)朝著智能化方向發(fā)展。因此控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是電動(dòng)汽車必不可少的重要環(huán)節(jié)。本文選用第二種驅(qū)動(dòng)方式——減速式驅(qū)動(dòng)方式。

1 動(dòng)力組件的選型及參數(shù)匹配

太陽能電動(dòng)車的動(dòng)力部件對(duì)于它的動(dòng)力性能的達(dá)標(biāo)有著非常重要的影響，動(dòng)力部件的選型及匹配也是整車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。本文將在太陽能電動(dòng)車整車結(jié)構(gòu)參數(shù)、性能要求的基礎(chǔ)上，合理地布置太陽能電池，科學(xué)地匹配蓄電池和電動(dòng)機(jī)，并進(jìn)行關(guān)鍵部件選型等工作。

汽車在行駛的過程中，其行駛的動(dòng)力性是其重要的性能指標(biāo)之一、它是指汽車在良好的路面上行駛時(shí)受到的縱向外力決定的所能達(dá)到的平均行駛速度。這項(xiàng)性能指標(biāo)可由3個(gè)方面來評(píng)定，即汽車的最高車速、汽車的加速時(shí)間、汽車的最大爬坡度。在設(shè)計(jì)的過程中需要考慮到的因素有發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)、汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)及汽車使用參數(shù)。本文結(jié)合太陽能電動(dòng)車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)整車動(dòng)力性相關(guān)的參數(shù)設(shè)定見表2。

本文根據(jù)太陽能電動(dòng)車的一般行駛路工況，假設(shè)本車在水平路面上或者行駛路面有很小的坡度。當(dāng)太陽能電動(dòng)車以最大速度行駛在水平路面時(shí)，此時(shí)的最大功率可由以下公式求得[16]。

將表2中動(dòng)力性相關(guān)參數(shù)設(shè)定帶入式（2），可得太陽能電動(dòng)車行駛的額定功率為1.95 kW。

1.2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配

1.2.1 電動(dòng)機(jī)功率匹配

電動(dòng)機(jī)額定功率的選取應(yīng)大于純電動(dòng)汽車以最高車速行駛的阻力功率，從而保證在良好的工況下，能以較高的車速行駛。電動(dòng)機(jī)的最大功率應(yīng)滿足整車的最大功率需求，即最大功率Pmax≥7.42 kW，為了安全起見，取Pmax=10 kW。

但實(shí)際行使過程中，最大功率工作時(shí)間很短，因此一般以整車平均速度下的功率為基點(diǎn)，同時(shí)滿足過載條件（過載能力≥2），由此取電動(dòng)機(jī)額定功率Pa=5 kW。

1.2.2 轉(zhuǎn)速扭矩匹配

額定功率相同的電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速高時(shí)，其體積小、重量輕、價(jià)格低、效率和功率因數(shù)較高，且從整車性能來說，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，既可減少實(shí)際運(yùn)行過程中的機(jī)械損耗，充分利用蓄電池的能源，也能為控制系統(tǒng)提供較大的調(diào)速范圍，因此電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高是有利的。

但在汽車的行駛速度一定時(shí)，如果考慮直接擋為正常行駛擋，電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速越高，則傳動(dòng)速比越大，有可能加大主減速器的速比和尺寸。因此，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)視具體情況并綜合考慮以上因素，確定額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速為5 000 r/min。

綜合以上各個(gè)方程得到1.841 7≤i≤1.918，取i=1.9。

2 太陽能電動(dòng)車的動(dòng)力性分析

本課題研究的太陽能電動(dòng)車共設(shè)置2個(gè)擋位，在整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中需要讀其進(jìn)行動(dòng)力性的校核，因?yàn)槠噭?dòng)力性的好壞直接影響它的行駛性能。

2.1 減速擋位動(dòng)力性校核

利用matlab編制m文件，得到驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖和功率平衡圖（如圖4、圖5所示）。

由圖5可以看出，太陽能電動(dòng)車減速擋位的穩(wěn)定車速是23.5 km/h，直接擋位的穩(wěn)定車速為72.6 km/h，最大車速為115.7 km/h。

利用matlab根據(jù)相關(guān)爬坡度公式進(jìn)行m文件的編制，繪制爬坡度曲線圖如圖6所示，一擋原地起步加速時(shí)間曲線圖如圖7所示。

2.2 續(xù)駛例程校核

假定太陽能電動(dòng)汽車在續(xù)駛里程測(cè)試過程中以速度V等速行駛，其行駛阻力可由式計(jì)算得到：

3 結(jié)論

本文以微型電動(dòng)車（smart fortwo）為原型，進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。首先根據(jù)整車構(gòu)成及整車參數(shù)的特征，以各部件的設(shè)計(jì)理論為依據(jù)，完成太陽能電池布置方案和數(shù)目分布、蓄電池和電動(dòng)機(jī)的匹配工作及太陽能電動(dòng)車動(dòng)力傳動(dòng)方案確定。對(duì)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)電動(dòng)機(jī)、電池、發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)等進(jìn)行比較選型，并計(jì)算確定相應(yīng)的額定功率等參數(shù)及動(dòng)力電池模塊的數(shù)量及容量。其次運(yùn)用UG三維建模軟件進(jìn)行關(guān)鍵部件的模型建立，其中包括太陽能電動(dòng)車傳動(dòng)系、太陽能電池及整車模型，進(jìn)而完成傳動(dòng)系、整車外形圖、底盤二維圖的繪制。本文根據(jù)相關(guān)理論，對(duì)前后軸進(jìn)行校核。最后在汽車動(dòng)力性理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)行動(dòng)力性相關(guān)計(jì)算，并運(yùn)用matlab軟件進(jìn)行太陽能電動(dòng)車的動(dòng)力性仿真分析，得到驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力平衡圖、功率平衡圖、爬坡度曲線圖及加速度特性曲線圖，通過對(duì)這些結(jié)果圖分析，完成整車設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件的校核工作。根據(jù)結(jié)果可知，本文對(duì)太陽能電動(dòng)車的設(shè)計(jì)是可行的。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]