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        純電動(dòng)乘用車關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究及分析驗(yàn)證

        2022-03-01 06:11:08戴鵬程王丹青
        汽車電器 2022年2期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        陸 訓(xùn),戴鵬程,王丹青,陶 娟

        (奇瑞新能源汽車股份有限公司,安徽 蕪湖 241000)

        1 前言

        能源與環(huán)境危機(jī)的日益加重,電動(dòng)汽車越來越多地被認(rèn)為是解決目前污染排放和能源合理利用的有效方案,純電動(dòng)汽車由于具有高效、無污染等優(yōu)點(diǎn),成為各汽車制造商的研究重點(diǎn),如何從系統(tǒng)匹配的角度出發(fā),合理選擇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件及其有效參數(shù),并使其匹配效果達(dá)到最優(yōu),對(duì)改善整車能耗,提升整車能量管理水平有很大影響。

        近年來,國(guó)內(nèi)外許多主機(jī)廠及學(xué)者對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型匹配及性能仿真做了大量研究,利用理論分析和仿真等手段,對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選型,石飛飛等基于整車性能目標(biāo),分別開展驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能匹配及仿真分析,但多數(shù)僅為理論分析和仿真模擬,未充分開展關(guān)鍵系統(tǒng)的策略選型、架構(gòu)分析及試驗(yàn)論證;陳宏等雖然有相關(guān)的試驗(yàn)測(cè)試,但多數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)的NEDC工況,與真實(shí)的道路條件相差較多,目前最新國(guó)標(biāo)制定更加接近用戶真實(shí)駕駛行為的中國(guó)工況鮮有仿真設(shè)計(jì)研究與試驗(yàn)分析論證。

        基于上述分析,本文主要針對(duì)目前比較普及的純電動(dòng)乘用轎車作為研究目標(biāo),首先對(duì)純電動(dòng)乘用車主要的系統(tǒng)框架構(gòu)型設(shè)計(jì),開發(fā)相應(yīng)的整車控制系統(tǒng),并設(shè)計(jì)串聯(lián)協(xié)調(diào)制動(dòng)的電液制動(dòng)IBS系統(tǒng),充分利用車輪及路面附著,提升整車制動(dòng)效率及車輛穩(wěn)定性能。在關(guān)鍵系統(tǒng)零部件選型計(jì)算及設(shè)計(jì)上,采用整車車輛動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程及利用MATLAB、AMEsim等仿真軟件確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)及動(dòng)力電池相關(guān)主要參數(shù)并仿真分析,最后通過對(duì)標(biāo)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的方法,驗(yàn)證車輛關(guān)鍵系統(tǒng)選型滿足整車性能指標(biāo)要求。

        2 純電動(dòng)汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)分析

        2.1 純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)原理

        傳動(dòng)汽車是由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng),而純電動(dòng)汽車(EV)是通過動(dòng)力電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電能經(jīng)過轉(zhuǎn)化成機(jī)械能,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)整車行駛。目前主流的純電動(dòng)車型大多數(shù)使用的都是單電機(jī),本文主要針對(duì)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車模式的兩驅(qū)車型進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。

        純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)主要由電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、汽車電、車身以及各種輔助裝置等部分組成。其中電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)決定了整車純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)組成及其性能特征,是電動(dòng)汽車的核心。整車電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要構(gòu)成及工作原理如圖1所示。

        圖1 純電動(dòng)汽車系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

        滾動(dòng)阻力:

        空氣阻力:

        2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        基于某純電動(dòng)汽車的產(chǎn)品定位以及市場(chǎng)需求,各主機(jī)廠確定相關(guān)的整車性能目標(biāo),其中包含最高車速、最大爬坡度等動(dòng)力性指標(biāo)以及國(guó)標(biāo)規(guī)定的綜合工況的續(xù)航里程和能量消耗率。

        整車性能目標(biāo)

        某純電動(dòng)乘用車的設(shè)計(jì)目標(biāo)不僅要滿足城市代步需求,同時(shí)能夠滿足城郊跨區(qū)域行駛的自駕旅行,整車主要性能目標(biāo)見表1。

        表1 整車性能目標(biāo)參數(shù)

        驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

        汽車在道路上行駛的過程中,需要克服來自地面與輪胎相互作用產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力和來自車身和空氣接觸而產(chǎn)生的空氣阻力。當(dāng)汽車在坡道行駛時(shí),還需克服其中立沿坡道的分力,即坡道阻力,汽車在加速行駛時(shí),還需要克服汽車本身慣性力即加速阻力。因此,汽車行駛總阻力為:

        坡道阻力:

        加速阻力:

        依據(jù)表2整車仿真輸入?yún)?shù),利用MATLAB中的GUI模塊進(jìn)行選型仿真分析。GUI模塊選型程序及選型結(jié)果如圖2所示。

        表2 整車性能仿真輸入?yún)?shù)

        圖2 GUI模塊選型程序及選型結(jié)果

        針對(duì)選型結(jié)果,一般做求整處理,結(jié)果見表3,針對(duì)所選結(jié)果,對(duì)電機(jī)進(jìn)行選型,其效率map如圖3所示。

        圖3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率map

        表3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)

        2.3 電液助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        為了更好地提升整車能量管理水平,提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量回收效率,以改善能耗提升續(xù)航里程,本文制動(dòng)能量回收系統(tǒng)方案采用串聯(lián)式電液助力制動(dòng)系統(tǒng),其相對(duì)并聯(lián)協(xié)調(diào)式電液助力制動(dòng)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生明顯的制動(dòng)感受差異。

        電液助力系統(tǒng) (IBS)

        電液助力系統(tǒng)(IBS)結(jié)構(gòu)上選用分體式總泵助力電子液壓式線控制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案,通過蝸輪蝸桿/齒輪齒條減速增扭機(jī)構(gòu),將助力電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為制動(dòng)主缸活塞的平動(dòng),駕駛員踩踏制動(dòng)踏板的反饋力由機(jī)械解耦機(jī)構(gòu)提供。系統(tǒng)主要由電機(jī)、蝸輪蝸桿-齒輪齒條減速機(jī)構(gòu)、踏板模擬器、制動(dòng)主缸和中央控器等部分組成,如圖4所示。

        圖4 IBS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

        其中線控制動(dòng)系統(tǒng)中電制動(dòng)和液壓制動(dòng)串聯(lián),為解耦系統(tǒng)。IBS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)車輛啟動(dòng)行駛時(shí),當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板,車輛有制動(dòng)請(qǐng)求時(shí),IBS進(jìn)行能量計(jì)算,計(jì)算駕駛員期望的總制動(dòng)力矩發(fā)給整車VCU控制電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,如果駕駛員制動(dòng)力矩請(qǐng)求小于驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的制動(dòng)力矩,這制動(dòng)液壓不介入,如圖5所示。否則制動(dòng)液壓系統(tǒng)同步開始工作,與IBS一起共同參與車輛制動(dòng)作用,如圖6所示。

        圖5 液壓系統(tǒng)不介入工作模式

        圖6 液壓系統(tǒng)介入工作模式

        電液助力系統(tǒng) (IBS)分配邏輯

        在電液分配中,整車中央控制單元(VCU)主控滑行能量回收的分配,可以保證車輛在滑行階段在電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)回收能力受限的工況下,車輛也能保證駕駛感受的一致性;IBS主控制動(dòng)能量回收,接收到駕駛員踩下制動(dòng)踏板后,負(fù)責(zé)獲得駕駛員總制動(dòng)需求,結(jié)合VCU能量回收能力及狀態(tài),優(yōu)先使用電制動(dòng)來響應(yīng)減速度請(qǐng)求,分配給VCU和IBS進(jìn)行能量回收和液壓制動(dòng),改善整車制動(dòng)損耗,分配策略如圖7所示。

        圖7 電液分配策略

        2.4 動(dòng)力電池參數(shù)設(shè)計(jì)方法

        電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程與整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)綜合傳動(dòng)效率、能量回收策略、整車行駛工況以及電池性能有直接關(guān)系,需通過借助仿真手段進(jìn)行性能仿真,以求達(dá)到最優(yōu)結(jié)果。本文動(dòng)力電池選型手段,主要利用AMEsim一維仿真分析軟件,基于整車性能目標(biāo)、仿真輸入?yún)?shù)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)進(jìn)行性能仿真,并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)動(dòng)力電池電量進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

        整車系統(tǒng)仿真邏輯架構(gòu)

        整車系統(tǒng)仿真模型簡(jiǎn)單邏輯架構(gòu)由駕駛員模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型、電機(jī)模型、動(dòng)力電池模型、整車控制單元(VCU)、附件系統(tǒng)單元組成,如圖8所示。

        圖8 仿真邏輯架構(gòu)圖

        整車系統(tǒng)軟件仿真模型

        利用AMEsim仿真軟件針對(duì)該純電動(dòng)汽車進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)校核及性能達(dá)標(biāo)分析,仿真分析模型如圖9所示。

        圖9 仿真分析模型

        中國(guó)工況(CLTC_P)仿真

        依據(jù)GB/T 18386—2021《電動(dòng)汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法 第1部分》規(guī)定,純電動(dòng)乘用車目前循環(huán)測(cè)試工況主要為中國(guó)工況(CLTC_P),工況平均車速為28.96km/h,最高車速為114.0km/h,怠速比例為22.1%,行駛里程為14.48km。分為低、中、高速3部分,低速部分674s,中速部分693s,高速部分433s,總運(yùn)行時(shí)間1800s,工況曲線如圖10所示。

        圖10 CLTC_P工況曲線

        3 整車仿真結(jié)果與分析

        基于中國(guó)工況曲線作為整車性能仿真的輸入工況,圖11為一個(gè)完整的中國(guó)工況部分仿真結(jié)果輸出,可以看出仿真過程實(shí)際車速與目標(biāo)車速一致性保持良好,依據(jù)仿真結(jié)果,該車完全循環(huán)結(jié)束,工況里程約361.5km,滿足性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求,此時(shí)動(dòng)力電池電量約41.5kWh。

        圖11 CLTC_P工況仿真結(jié)果

        基于滿足整車性能目標(biāo)的加速、爬坡及續(xù)航里程指標(biāo)的前提下,基于目前較為常用的三元鋰電池,根據(jù)仿真結(jié)果及本文第2章節(jié)的選型結(jié)果,對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行電量及放電功率確定,其主要關(guān)鍵參數(shù)見表4。

        表4 動(dòng)力電池關(guān)鍵參數(shù)

        4 整車性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析

        為了驗(yàn)證系統(tǒng)選型及仿真結(jié)果,針對(duì)整車進(jìn)行動(dòng)力性及續(xù)駛里程試驗(yàn)測(cè)試,通過對(duì)標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證整車仿真模型的精度,分析仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

        4.1 整車動(dòng)力性能測(cè)試

        依據(jù)GB/T 18385—2005《電動(dòng)汽車 動(dòng)力性能 試驗(yàn)方法》,對(duì)純電動(dòng)汽車進(jìn)行動(dòng)力性測(cè)試,動(dòng)力性試驗(yàn)在專門的試驗(yàn)場(chǎng)地開展,主要測(cè)試內(nèi)容見表5。

        表5 主要測(cè)試內(nèi)容

        其中0-100km/h加速時(shí)間,仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖12所示。

        圖12 0-100km/h加速時(shí)間對(duì)比

        4.2 整車經(jīng)濟(jì)性能測(cè)試

        依據(jù)GB/T 18386—2021《電動(dòng)汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法 第1部分》規(guī)定,對(duì)其進(jìn)行中國(guó)工況常規(guī)法試驗(yàn)測(cè)試,試驗(yàn)主要在整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)室開展。

        4.3 仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析

        通過對(duì)標(biāo)仿真和試驗(yàn)結(jié)果,其具體參數(shù)見表6,試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果均滿足整車性能目標(biāo)。

        表6 仿真與試驗(yàn)對(duì)比

        通過對(duì)比仿真與試驗(yàn)結(jié)果,動(dòng)力性關(guān)鍵指標(biāo)最大誤差<3%左右,經(jīng)濟(jì)性誤差指標(biāo)僅為1.1%。系統(tǒng)選型及仿真準(zhǔn)確度較高。

        5 結(jié)論

        基于整車性能目標(biāo),在對(duì)整關(guān)鍵系統(tǒng)的選型和仿真分析中,不僅針對(duì)性能目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì),同時(shí)為了更好地提升整車能量管理水平,在制動(dòng)系統(tǒng)能量回收策略及架構(gòu)上進(jìn)行策劃和分析。

        依據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算與MATLAB和AMEsim的結(jié)合應(yīng)用,確定了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及動(dòng)力電池的相關(guān)參數(shù),并對(duì)其選型結(jié)果進(jìn)行實(shí)車性能試驗(yàn)驗(yàn)證。在續(xù)駛里程的仿真分析及試驗(yàn)測(cè)試中,選用目前最新國(guó)標(biāo)規(guī)定的中國(guó)工況曲線,更加貼合用戶實(shí)際駕駛行為,為改善用戶體驗(yàn)提供有力保障。通過仿真和試驗(yàn)結(jié)果動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性結(jié)果的對(duì)比,進(jìn)一步驗(yàn)證了選型結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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