李添鑫,陸海斌
(長安汽車輕型車研發(fā)中心,河北 定州 073000)
純電動物流車是電動貨運的一種,此類配送的特點是“末端網(wǎng)點-末端客戶”。一線城市業(yè)務(wù)量較大,出行次數(shù)受限,重點關(guān)注載貨空間;部分二三線城市配送區(qū)域劃分不嚴(yán)格,車輛運行里程高于一線城市,關(guān)注續(xù)駛里程、運營成本。根據(jù)2018年國補退坡方案,純電動貨車Ekg滿足法規(guī)要求難度較大,從市面上某款N1類純電動輕型物流車(下文簡稱Gx)改款設(shè)計思路入手,淺談純電動物流車設(shè)計思路,對關(guān)鍵系統(tǒng)進行分析,同時對動力經(jīng)濟性進行改善。
圖1為Gx電動汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,其中主要包含以下幾個方面:電子控制單元(ECU)、傳動裝置和驅(qū)動輪。因為驅(qū)動電機是唯一的動力驅(qū)動裝置,所以最大功率及最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩必須要滿足驅(qū)動車輛的設(shè)計需要。
根據(jù)文獻[1],電機的主要參數(shù)主要是額定功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。正確選擇電機的參數(shù)非常重要,例如對于額定功率,如果選擇過小,則電機經(jīng)常工作在過載狀態(tài);相反,如果選擇功率太大,則經(jīng)常工作在欠載狀態(tài),效率及功率因數(shù)降低,不僅浪費電能,而且增加動力電池的容量,綜合經(jīng)濟效益下降。
選擇電機的額定功率時,應(yīng)保證電動汽車能夠在各種工況下運行。
1)最高車速工況 電機功率P1是汽車最高行駛速度Vmax所需要滿足的功率:
式中:m——整車質(zhì)量;f——滾動阻力系數(shù);ρa——空氣密度;A——迎風(fēng)面積;ηT——動力傳動效率;CD——風(fēng)阻系數(shù)。
2)最大爬坡工況 電機功率P2是指汽車爬坡行駛速度Vb所需要的功率:
式中:α——整車最大爬坡度。
3)最大加速度工況 電機功率P3是指在一定時間內(nèi),汽車由0加速到Vb速度時需要的功率:
電動汽車的額定功率應(yīng)同時滿足以上條件,所以驅(qū)動電機的額定功率:
式中:λ——電動機過載系數(shù)。
同樣的,驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)矩Tmax的選取需滿足汽車最大爬坡度要求:
式中:imax——最大的傳動比系數(shù);r ——汽車使用輪胎的半徑。
在計算出電機最大功率后,最大轉(zhuǎn)矩可算得:
式中:ηe——電機的額定轉(zhuǎn)速。而根據(jù)公式(6)和(7)可得到電機的最大轉(zhuǎn)矩。
在散熱良好的條件下,動力電池能量密度的提高可以有效減小電池質(zhì)量。整車?yán)m(xù)航能力、整備質(zhì)量、額定載質(zhì)量等參數(shù)相關(guān)的Ekg設(shè)計值是整車設(shè)計的關(guān)鍵步驟,公式如下[2]:
式中:C——電能消耗率;M——附加質(zhì)量=1/2 載質(zhì)量。
對比2017年和2018年的補貼政策[3](表1),滿補貼Ekg要求由0.5降低到0.35,想要達成這一目標(biāo),可以從以下兩個思路入手:①減小電能消耗率;②增加附加質(zhì)量。
式中:E——充電期間來自電網(wǎng)的能量,Wh,可以近似看作電池最大電量;D——續(xù)航里程,km。
Ekg-續(xù)駛里程曲線如圖2所示。電量跟續(xù)航里程本身是正相關(guān)的參數(shù),因此降低電量無法從根本上解決問題,而續(xù)航里程除了與電量,還與整備質(zhì)量、傳動系數(shù)、阻力系數(shù)等相關(guān),除了各種系數(shù),降低整備質(zhì)量是提高D(降低C)的最主要手段。同時,降低整備質(zhì)量也是增加附加質(zhì)量的條件,附加質(zhì)量=1/2 載質(zhì)量=1/2(總質(zhì)量-整備質(zhì)量)。因此最終降低Ekg的解決方案是:增加總質(zhì)量,減少整備質(zhì)量。
表1 補貼政策
圖2 Ekg-續(xù)駛里程曲線
對于動力系統(tǒng)來說,電機電控從零部件角度降重的空間并不是很大,主要取決于供應(yīng)商的平臺體系,而從整車角度來說,改變布置形式,是一個切入點。Gx動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比如圖3所示。
Gx2018款采用了后橋減速箱一體式結(jié)構(gòu),且驅(qū)動電機也集成在后橋之上,這種結(jié)構(gòu)節(jié)省了大量的支架、連接板。同時給予電池更大布置空間,十分有利于電池提高能量密度,減少電池質(zhì)量。
AVL Cruise軟件是用于仿真研究車輛動力性、燃油經(jīng)濟性、排放性能與制動性能的高級仿真分析軟件。使用該軟件對Gx進行系統(tǒng)仿真,對于改款后是否能同時滿足動力經(jīng)濟性和法規(guī)項進行一次摸底,再通過摸底結(jié)果回推設(shè)計指標(biāo),是整車設(shè)計常規(guī)流程和思路。表2為Gx仿真參數(shù)。
表2 Gx仿真參數(shù)
在仿真界面通過各種選項選擇所需要的項目,并在后面輸入所需數(shù)據(jù),來完成仿真的第一步工作。工況選擇CYC_NEDC,下面是相關(guān)結(jié)論。
從圖4可得一個NEDC循環(huán)消耗電量2.13度,因此48度電理論上可以行駛22.5個循環(huán),總里程252 km。
計算過程如下:
圖4 部分仿真結(jié)果
C=48×1000/252=190(電能消耗率)
M =1/2(2810-1610)=600(附加質(zhì)量)
Ekg =C/M =190/600=0.316(單位載質(zhì)量能量消耗率)
滿足法規(guī)項1倍補貼要求。
本文通過對N1類純電動物流車 Gx改款關(guān)聯(lián)參數(shù)約束分析,研究了企業(yè)做該類車型設(shè)計的一般思路:通過對動力經(jīng)濟性和法規(guī)兩方面進行具體分析,為動力系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計提供參考,并以實例分析具體實現(xiàn)過程。