蘇建華　劉延濤　鹿森

【摘 要】電動物流車運營需求多樣，工況復(fù)雜多變。為提高整車的動力性與經(jīng)濟性，論文采用五檔變速箱電動物流車工程設(shè)計理念，通過理論計算確定動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的參數(shù)，建立五檔變速箱后驅(qū)型車輛模型、核心部件模型及參數(shù)文件，仿真驗證車輛動力系統(tǒng)設(shè)計的合理性，最后，開發(fā)了一臺五檔變速箱電動物流車，試驗表明仿真結(jié)果與實際性能相一致。

【Abstract】The demand for electric logistics vehicles is diverse， and the working conditions are complicated and changeable. In order to improve the power performance and the economical efficiency， this paper adopts the desigh idea of five-speed gearbox of electric logistics vehicles. Through the theoretical calculation to determine parameters of the power system， then establishes the rear drive vehicle model with five-speed gearbox， the key components model and the parameters files， then verifies the rationality of vehicle power system design by simulation. Finally， a five-speed gearbox of electric logistics vehicle is developed. The experimental results show that the simulation results are in good agreement with the actual performance

【關(guān)鍵詞】物流工程；五檔變速箱；仿真驗證；動力系統(tǒng)；車輛模型

【Keywords】logistics engineering； five-speed gearbox； simulation verification； power system； vehicle model

【中圖分類號】U469.7 【文獻標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）07-0158-04

1 引言

新能源汽車作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，備受各層面關(guān)注。政府部門更是通過一系列政策、規(guī)定與措施，大力鼓勵、支持技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。當(dāng)前，新能源汽車領(lǐng)域重點圍繞電池、控制、整車集成、產(chǎn)業(yè)與運營管理等幾個方面開展研究，涌現(xiàn)了豐碩的成果，推動了我國新能源汽車技術(shù)的進步與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如，畢軍等[1]依據(jù)電動汽車行駛里程與電池SOC的相關(guān)性，采用遞推最小二乘法對建立模型參數(shù)進行辨識，提高預(yù)測行駛里程的準(zhǔn)確度。趙軒等[2]為合理確定純電動客車的復(fù)合制動系統(tǒng)制動力分配比例，提出了基于制動駕駛意圖辨識的復(fù)合制動控制策略，仿真結(jié)果表明在保證安全的前提下最大限度地回收了制動能量。谷靖等[3]圍繞電動汽車的系統(tǒng)構(gòu)型與關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計問題，通過仿真驗證了整車性能設(shè)計的合理性。彭濤等[4]針對并聯(lián)混合動力電動汽車，提出了用工程分析與仿真校驗相結(jié)合方法，完成車輛主要參數(shù)匹配。畢軍等[5]為實現(xiàn)電動汽車的有效運行管理，設(shè)計了運行監(jiān)控與統(tǒng)計分析系統(tǒng)，并通過試運營，較好地實現(xiàn)了車輛的實時監(jiān)控和運行性能的分析。

從事配送領(lǐng)域的電動物流車因運營成本低廉、可集中運營等優(yōu)勢，更是受到生產(chǎn)企業(yè)的青睞，發(fā)展勢頭蓬勃。電動物流車運營范圍覆蓋城郊和市區(qū)，行駛路況多樣、載貨量重且差異大，要求車輛必須具備加速快、運行速度高、爬坡能力強和高效調(diào)速范圍寬等能力，對車輛整體性能指標(biāo)設(shè)計提出了較高要求。本文在車輛設(shè)計初始條件及五檔變速箱選配的基礎(chǔ)上，對驅(qū)動電機和動力電池參數(shù)進行理論計算與選配，建立車輛模型與部件模型及參數(shù)文件，對車輛進行仿真分析，最后通過開發(fā)實例驗證五檔變速箱在電動物流車工程應(yīng)用上的可行性與優(yōu)勢。

2 車輛設(shè)計初始條件

2.1 初始輸入

當(dāng)前，因全新車輛開發(fā)費用高，電動物流車研究通常是從某一成熟的常規(guī)物流車車型出發(fā)，對其動力系統(tǒng)進行改造或重新設(shè)計。初始輸入條件需要從原車型和設(shè)計目標(biāo)進行確定，且需要預(yù)先估計滿載質(zhì)量。車輛和行駛參數(shù)如表1所示。

2.2 整車性能參數(shù)

結(jié)合GB/T 28382-2012、GB/T 1332-1991和QC/T 252-1998等的規(guī)定和要求，純電動物流車動力性能參數(shù)要求如表2所示。

2.3 變速箱選配

車輛設(shè)置變速箱的主要目的為適合車輛行駛阻力變化，按需改變扭矩與轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)空擋及前進、倒退。電動物流車運營活動主要集中在市區(qū)和近郊，遇到的工況多種多樣，最低穩(wěn)定行駛車速為3～6km/h，最高車速可達100km/h，甚至更高。行駛過程所遇到的阻力變化可在6倍以上，存在起動電流大、爬坡無力、高速加不上、耗電量大，易造成電機、電池組及控制器損壞，安裝變速箱非常必要。變速箱可使電機經(jīng)常保持在高效率的工作范圍內(nèi)，提高工況適應(yīng)性和使用效率，減輕電機和動力電池組的負荷，提高了電動汽車的整體能耗經(jīng)濟性。

部分電動車輛裝配單檔變速箱，車輛始終用同一傳動比檔位，完成從起步到最高速的行駛，電機不能回到最佳扭矩輸出區(qū)間，再加速動力被大幅削弱，不利于車輛的經(jīng)濟性與舒適性。且因大齒輪比，車輛巡航狀態(tài)下，電機長期處于較高的轉(zhuǎn)速臨界點運行，降低了動力的輸出效率，功耗較大。同時還存在著驅(qū)動電機發(fā)熱、噪聲、軸承壽命、齒輪加工精度高和成本高等諸多問題，固定速比變速箱不足以滿足電動物流車的最優(yōu)工程設(shè)計需求。

多檔變速箱在電動汽車工程應(yīng)用中具有可高效發(fā)揮電機運行特性、降低電機功率需求、增加續(xù)駛里程，降低車輛總成本、提升駕駛舒適性，擴大車輛的運營適應(yīng)范圍等優(yōu)勢，因此采用多檔變速箱是實現(xiàn)車輛性能的有效途徑。當(dāng)前，在貨運物流車上普遍采用的五檔變速箱因可大大提高車輛的動力性能，整車匹配技術(shù)成熟，批量產(chǎn)品的成本優(yōu)勢十分明顯，且駕乘人員習(xí)慣五檔的變檔位操作模式。綜合考慮市場成熟度、可靠性、成本等因素，本文選用某型號五檔變速箱，參數(shù)如表3所示。

3 參數(shù)設(shè)計

3.1 驅(qū)動電機計算與選配

驅(qū)動電機參數(shù)主要包括功率、扭矩、轉(zhuǎn)速等，依據(jù)最高車速、爬坡及加速性能進行計算。

3.1.1 電機功率計算

滿足電動汽車的最高車速情況下，電機應(yīng)具備功率：

滿足電動汽車在爬坡性能工況下，電機所消耗功率：

滿足電動汽車在水平路面上加速行駛消耗功率：

式中：m為總質(zhì)量；g為重力加速度；va為加速末速度；ta為加速時間；ηT為傳動系效率；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；δ為轉(zhuǎn)動慣量系數(shù)，取1.05。由公式（1）、（2）和（3）得到所需的電機功率。

3.1.2 電機扭矩計算

最大轉(zhuǎn)矩Tmax應(yīng)同時滿足起動轉(zhuǎn)矩和最大爬坡度的要求，并結(jié)合傳動系最大傳動比imax和最大爬坡度amax來確定。

式中：R為車輪滾動半徑；αmax為最大爬坡度；G為滿載車重；imax為傳動系最大減速比。由公式（4）得到所需電機的扭矩。

3.1.3電機轉(zhuǎn)速計算

電機最高轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足最高車速要求，依據(jù)給定減速比和最高車速下電機轉(zhuǎn)速計算公式：

式中：Vmax為最高車速；imax為最大減速比；由公式（5）得到所需的電機轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電機參數(shù)如表4所示。

結(jié)合表4功率、扭矩和轉(zhuǎn)速需求，驅(qū)動電機選型如表5所示。

3.2 動力電池計算與選配

動力電池系統(tǒng)是純電動車輛的唯一能量來源，運用效能須優(yōu)化，且決定車輛成本，因此必須進行慎重選配。

3.2.1最大輸出功率需要單體電池數(shù)目

電池輸出功率應(yīng)滿足電動物流車行駛時所需最大功率要求。且電池滿電時能量必須大于或等于所需最大能量。

式中：Ppeak為電機峰值功率；ηm為電機效率；ηc為電機控制器效率；Cr為電池單體容量；Vr為單體電壓；ζsoc為電池有效放電容量，取70%；P鋪為輔助設(shè)備功耗，取1kW。

3.2.2 續(xù)駛里程需要單體電池數(shù)目

以30 km/h時速運行，核算續(xù)駛里程要求：

式中：LR為續(xù)駛里程；W1為電動汽車行駛1公里所消耗的能量，取0.2kWh/km。

3.2.3 動力電池選配

由公式（6）、（7），取單體電池數(shù)為45，即標(biāo)稱電壓144V。動力電池選型如表6。

4 仿真與實例

4.1 模型設(shè)計與驗證

本文以ADVISOR2002平臺設(shè)計車輛仿真模型與部件參數(shù)文件。首先構(gòu)建后驅(qū)動型車輛模型，其次建立車輛、動力電池、驅(qū)動電機、手動五檔變速箱、主減速器及車輪車橋等核心部件模型及參數(shù)文件，最后設(shè)置驅(qū)動配置文件，完成五檔變速箱電動物流車輸入設(shè)計。車輛模型與參數(shù)文件設(shè)計結(jié)果如圖1所示。

在CYC_UDDS城市道路循環(huán)工況下，五檔變速箱電動物流車仿真結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，最高速度為111.4km/h，0～50km/h加速時間7.6s，16.1km/h爬坡度為20%。仿真結(jié)果顯示實際車速能很好地跟蹤循環(huán)工況速度。放電電流與荷電狀態(tài)變化的曲線表明，車輛在頻繁加減速的工作過程中動力電池電流的快速變化，并實現(xiàn)了能量回饋。整個驅(qū)動循環(huán)中電機輸出功率有正有負，負值表示電機工作在發(fā)電狀態(tài)。

4.2 開發(fā)實例

依據(jù)動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計和仿真結(jié)果，對電機及其驅(qū)動器和動力電池等關(guān)鍵系統(tǒng)進行設(shè)計，完成車輛開發(fā)。最高車速試驗如圖3所示。由圖可見，最高車速為112.2km/h。

由試驗結(jié)果得在半載條件下，以30km/h的經(jīng)濟時速開展跑車試驗，車輛續(xù)駛里程達185km。車輛爬坡度大于31.5%?？梢婇_發(fā)的五檔變速箱電動物流車綜合運行效能較好，完全滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

當(dāng)前，電動汽車用多檔變速箱大多還處在研發(fā)階段，且成本高，還無法滿足電動汽車蓬勃發(fā)展的需求，采用成本較低、可靠性高，經(jīng)過市場反復(fù)驗證的傳統(tǒng)多檔變速箱，無疑是比較明智的選擇。本文通過嚴密的理論計算，建立五檔變速箱后驅(qū)型車輛模型、部件模型及參數(shù)文件，對動力系統(tǒng)參數(shù)選配進行驗證，仿真結(jié)果表明滿足性能指標(biāo)要求。最后，工程開發(fā)了一臺五檔變速箱電動物流車，試驗表明仿真設(shè)計結(jié)果與車輛實際性能相一致，且整體運行效能比高。

【參考文獻】

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【3】谷靖，歐陽明高，盧蘭光，等.微型純電動汽車的系統(tǒng)構(gòu)型與關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計[J].汽車工程，2013，35（1）：7-12.

【4】彭濤，陳全世，田光宇，等.并聯(lián)混合動力電動汽車動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配[J].機械工程學(xué)報， 2003，39（2）：69-73.

【5】畢軍，關(guān)偉，申金升.電動汽車運行監(jiān)控與統(tǒng)計分析系統(tǒng)的設(shè)計[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2005，5（1）：29-32.