張桂連,陳 宏
(湖南獵豹汽車股份有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410100)
新能源純電動(dòng)貨車具有動(dòng)力響應(yīng)快、平順、靜音、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)電驅(qū)動(dòng)使得車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛技術(shù)更容易實(shí)現(xiàn),發(fā)展純電動(dòng)貨車已得到更多廠商的重視。由于電動(dòng)貨車經(jīng)常在城區(qū)行駛,配送貨物,其動(dòng)力性和續(xù)駛里程都需要滿足一定的要求,為此合理匹配動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)就顯得尤為重要[1-5]。
本文以純電動(dòng)貨車為研究對(duì)象,依據(jù)整車設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)電動(dòng)貨車的動(dòng)力系統(tǒng)部件進(jìn)行了參數(shù)匹配,并利用CRUISE軟件搭建了整車模型,驗(yàn)證參數(shù)匹配的合理性。
本文研究的純電動(dòng)貨車構(gòu)型為后置后驅(qū),電機(jī)+單級(jí)主減速器的驅(qū)動(dòng)方案,其整車參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)見(jiàn)表1。
純電動(dòng)貨車經(jīng)常在城區(qū)行駛,需頻繁啟動(dòng)、加速、制動(dòng)等。電機(jī)作為整車唯一的動(dòng)力源,其參數(shù)匹配需考慮峰值功率、峰值轉(zhuǎn)矩、最高轉(zhuǎn)速、額定功率、額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速外,還需關(guān)注電機(jī)及控制器的效率map[5]。
1)電機(jī)額定功率和峰值功率
電機(jī)作為電動(dòng)汽車行駛的動(dòng)力源,其功率需滿足最高車速、最大爬坡度和加速性能,同時(shí)還需考慮續(xù)航里程和能耗要求。
表1 純電動(dòng)貨車整車參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T18385-2005《電動(dòng)汽車 動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》中規(guī)定及汽車行駛受力分析,其功率平衡方程式為[5]:
式中:P1——最高車速對(duì)應(yīng)的功率,kW;P2——最大爬坡度對(duì)應(yīng)的功率,kW;P3——加速時(shí)間對(duì)應(yīng)的功率,kW;m——汽車滿載質(zhì)量,kg;m1——汽車動(dòng)力性試驗(yàn)質(zhì)量,kg;f——滾動(dòng)阻力系數(shù);CD——風(fēng)阻系數(shù);A——迎風(fēng)面積,m2;umax——最高車速,km·h-1;ηt——機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)效率,%;αmax——最大爬坡度,(°);u——最大爬坡度對(duì)應(yīng)的車速,km·h-1;t——加速時(shí)間,s;ut——終點(diǎn)加速車速,km·h-1;δ——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);ui——爬坡對(duì)應(yīng)的車速,km·h-1;r——車輪半徑,mm;i0——主減速比。
根據(jù)式 (1)計(jì)算出最高車速對(duì)應(yīng)的電機(jī)功率P1;式(2)計(jì)算出最大爬坡度對(duì)應(yīng)的電機(jī)功率P2;式 (3)計(jì)算出0—100km/h加速時(shí)間對(duì)應(yīng)的電機(jī)功率P3。而電機(jī)峰值功率應(yīng)該取三者中的最大值。即滿足式 (4):
電機(jī)額定功率通常滿足最高車速對(duì)應(yīng)的電機(jī)功率P1即可。
2)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速
電機(jī)最高轉(zhuǎn)速需滿足汽車最高車速的要求,即:
電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax與額定轉(zhuǎn)速nb應(yīng)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性相匹配,且最高轉(zhuǎn)速nmax與額定轉(zhuǎn)速nb比值為電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β。增大β值,電機(jī)在低速獲得較大轉(zhuǎn)矩,提高車輛動(dòng)力性能,但β值過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致功率損耗,一般取2~3[6]。
3)電機(jī)峰值扭矩和額定扭矩
電機(jī)峰值扭矩需滿足汽車最大爬坡度的要求,即
電機(jī)額定扭矩根據(jù)額定功率和額定轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算。
電池參數(shù)主要有電壓等級(jí)、功率和能量。即電壓等級(jí)要與電機(jī)的電壓等級(jí)保持一致,最大充放電功率需滿足電機(jī)功率需求,能量要滿足續(xù)駛里程需求。等速ub=60km/h續(xù)駛里程需達(dá)到230km,等速ub=60km/h功率見(jiàn)式 (7),根據(jù)續(xù)駛里程要求,電池組容量C見(jiàn)式 (8)。
式中:ηt——機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)效率,%;ub——車速,km/h;m2——汽車經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)質(zhì)量,kg;S——續(xù)駛里程,km;η1——電機(jī)及控制器效率,%;C——電池組容量,kWh;SOChigh取100%;SOClow取10%。
傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)主要有最小傳動(dòng)比和最大傳動(dòng)比,而最小傳動(dòng)比imin由電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和整車的最高車速確定,即式(5);最大傳動(dòng)比由整車的最大爬坡度、附著率、最低溫度車速確定,即滿足下式:
式中:Ttqmax——電機(jī)最大輸出扭矩。
由于本純電動(dòng)貨車采用電機(jī)+單級(jí)主減速器的方案,因此,只需要計(jì)算主減速器的傳動(dòng)比即可。
根據(jù)前面公式計(jì)算,純電動(dòng)貨車各部件參數(shù)匹配結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 純電動(dòng)貨車整車參數(shù)匹配結(jié)果
為了驗(yàn)證參數(shù)匹配是否合理,利用CRUISE軟件搭建整車模型,對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行了仿真分析。仿真模型見(jiàn)圖1。
圖1 整車仿真模型
純電動(dòng)貨車最高車速和加速時(shí)間如圖2所示,汽車加速平穩(wěn),最高車速大于90km/h,滿足設(shè)定的目標(biāo)車速。0—100km/h加速時(shí)間為22s,小于設(shè)定的25s,滿足設(shè)定目標(biāo)。
本車型主要用于城市貨物運(yùn)輸,汽車以10km/h勻速爬坡,最大爬坡度為28%,大于所設(shè)定的最大爬坡度20%,符合城市道路的要求。
對(duì)純電動(dòng)貨車進(jìn)行了NEDC工況和等速60km/h續(xù)駛里程仿真。NEDC工況,續(xù)駛里程為170km,等速60km/h續(xù)駛里程為240km,符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。
為了驗(yàn)證動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的合理性及仿真模型的可行性,對(duì)純電動(dòng)貨車進(jìn)行了動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)。仿真與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知,誤差值控制在5%以內(nèi)。該結(jié)果表明,仿真指標(biāo)與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果比較吻合,誤差在可接受范圍內(nèi)。
表3 動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
本文以某純電動(dòng)貨車為研究對(duì)象,依據(jù)整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)電動(dòng)貨車的電機(jī)、電池、主減速器等部件參數(shù)進(jìn)行了匹配。利用CRUISE軟件對(duì)整車性能進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果表明,整車參數(shù)匹配合理且模型精度可信。