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        電動觀光車動力系統(tǒng)匹配及仿真分析

        2022-06-16 14:18:34魏明剛彭柳柳韋志斌刁劍雄
        裝備制造技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:觀光車續(xù)航里程

        魏明剛,彭柳柳,韋志斌,刁劍雄

        (柳州五菱汽車工業(yè)有限公司,廣西 柳州 545007)

        0 引言

        在觀光車行業(yè)里,不同景區(qū)觀光車的使用場景大相徑庭,時(shí)常出現(xiàn)購買的觀光車動力性能過剩或不足的情況。因此,如何合理選擇動力系統(tǒng)各部件,通過參數(shù)匹配使純電動觀光車獲得同等條件下更好的動力性與經(jīng)濟(jì)性,在設(shè)計(jì)開發(fā)前期尤其重要。

        行業(yè)內(nèi)觀光車三電系統(tǒng)最初采用的是鉛酸電池+直流串勵系統(tǒng);受前幾年“老年代步車”和“低速電動車”的影響,觀光車的技術(shù)路線也日漸向交流異步系統(tǒng)延伸;但如果參考我國新能源行業(yè)發(fā)展趨勢,觀光車三電的技術(shù)路線最終也會指向鋰電+永磁同步系統(tǒng)。本研究給出一種方法,依據(jù)直流串勵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,永磁同步仿真系統(tǒng),來匹配選型觀光車三電系統(tǒng),使設(shè)計(jì)滿足整車性能參數(shù)開發(fā)目標(biāo)。并舉例一款永磁同步系統(tǒng)車型參數(shù)匹配方案進(jìn)行cruise軟件仿真,驗(yàn)證動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的合理性。

        1 觀光車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

        經(jīng)常在平路行駛的觀光車的電氣系統(tǒng)選型匹配,主要匹配要求就是續(xù)航里程、爬坡度、最高車速應(yīng)當(dāng)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo);對于對動力性能要求較高、需要經(jīng)常爬坡的觀光車,對特定坡度的爬坡車速也有額外要求。研究的兩種車型搭載不同系統(tǒng)的整車參數(shù)及性能指標(biāo)見表1。

        表1 動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入匹配目標(biāo)

        1.1 鉛酸電池+直流串勵電驅(qū)系統(tǒng)匹配

        1.1.1 根據(jù)續(xù)航里程與最高車速確定電機(jī)額定功率

        平直路面勻速行駛所需最小動能,需滿足能車輛克服滾動阻力和風(fēng)阻

        式中:Pmin為最小額定功率,vmax為最大車速,ηT為變速箱傳遞效率,m為滿載總質(zhì)量,g為重力加速度,f為滾動阻力系數(shù),Cd為風(fēng)阻系數(shù),A為迎風(fēng)面積。代入?yún)?shù)求得Pmin=2.178 kW。

        電機(jī)期望運(yùn)行的時(shí)間,可由總里程與車速求出

        式中:t為最大連續(xù)運(yùn)行時(shí)間,h;S為目標(biāo)續(xù)航里程,km;代入?yún)?shù)求得t=2.759 h。

        觀光車行走電機(jī)應(yīng)滿足s2-60min工作制[1],即以額定工況工作60 min則溫度上升到上限[2],因此不能以額定功率來持續(xù)運(yùn)行,電機(jī)的額定功率應(yīng)當(dāng)確保整個(gè)行駛過程不產(chǎn)生電機(jī)過熱。對于串勵電機(jī),電機(jī)發(fā)熱的主要熱源來自于銅線的發(fā)熱。由于電流較大時(shí),散熱功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)熱功率,散熱功率忽略后,電機(jī)溫升可近似視為:式中:ΔQ為環(huán)境溫度上升到電機(jī)溫度上限的溫升,IN為電機(jī)額定電流,R為電機(jī)勵磁、電樞回路電阻,tN為以IN電流可持續(xù)運(yùn)行的時(shí)間,I1為運(yùn)行時(shí)間為t1就電機(jī)過溫的電機(jī)電流,t1為以車速Vmax行駛到里程為S的時(shí)間。

        行業(yè)內(nèi)串勵電機(jī)的銘牌參數(shù)為:

        式中:PN為電機(jī)銘牌額定功率,UN為電機(jī)銘牌額定電壓。

        要想車輛持續(xù)運(yùn)行(2)式的時(shí)間,結(jié)合(3)(4),則電機(jī)的額定功率PN至少為:

        代入數(shù)據(jù)得PN=3.618 kW,一般電機(jī)功率都是0.5的整數(shù)倍,因此,電機(jī)選型功率為PN=4 kW。

        1.1.2 確定電機(jī)額定參數(shù)及整車速比

        串勵電機(jī)的最大電流為額定電流的3倍,峰值轉(zhuǎn)矩應(yīng)當(dāng)不低于額定轉(zhuǎn)矩的4.5倍[2],在最低速運(yùn)行時(shí),可忽略風(fēng)阻項(xiàng),依據(jù)輪邊動力不低于阻力,則有:

        式中:F動力是輪邊驅(qū)動力,TN為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩,i為速比,r為輪胎滾動半徑,F(xiàn)阻力為極低速運(yùn)行時(shí)忽略風(fēng)阻的的阻力,θ為坡道的坡度。代入?yún)?shù)求得TNi≥171 N·m;輕型觀光車速比i通常介于10~15,速比越大則成本越高,且機(jī)械效率越低,因此將i取值為10,以此推算TN≥17.1 N·m;根據(jù)電機(jī)機(jī)械特性原理,有以下關(guān)系:

        式中:nN為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。代入?yún)?shù)求得nN≤2234 r/min。某品牌電機(jī)存在3款額定轉(zhuǎn)速分別為1500 r/min、2000 r/min、2500 r/min的電機(jī),滿足條件的驅(qū)動電機(jī)有1500 r/min、2000 r/min這兩款。從成本考慮,額定扭矩越大的電機(jī)成本越高,因此選型額定轉(zhuǎn)速nN為2000 r/min的電機(jī);根據(jù)(7),代入?yún)?shù)后確定電機(jī)的額定扭矩TN為19.1 N·m。

        1.1.3 根據(jù)最高車速與續(xù)航里程確定電池容量

        勻速行駛的功率與電池放電的功率直接存在效率的折算關(guān)系:

        式中:U為電池電壓,V;I為電池電流,A;η電機(jī)為電驅(qū)系統(tǒng)效率;對于48 V電壓系統(tǒng),代入電驅(qū)效率80%,可求得電池電流I=56.4 A;根據(jù)(2)計(jì)算出來的運(yùn)行時(shí)間t=2.759 h,可求得電池容量C≥It=155.5 Ah。在市面上存在某品牌電池為額定155 Ah,實(shí)測50 A恒流可放電165~170 Ah,可視為165 Ah,滿足需求。

        1.1.4 確定續(xù)航里程、空滿載最高車速及爬坡度

        選型好各系統(tǒng)后,需結(jié)合電機(jī)數(shù)學(xué)模型與機(jī)械特性、運(yùn)動力學(xué)平衡模型、能量守恒模型、可精確算出續(xù)航、各載重最高車速、爬坡度、爬坡車速等。

        直流串勵電動機(jī)運(yùn)行特性[3]如下:

        式中:Te為輸出轉(zhuǎn)矩,N·m;k為常數(shù),T0為空載轉(zhuǎn)矩,N·m。上式表明Te是關(guān)于電機(jī)電流I電機(jī)的函數(shù)。表2是某品牌的48 V4 kW2000 r/min電機(jī)測功表(節(jié)選部分),使用excel對電機(jī)效率、電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)電流導(dǎo)出散點(diǎn)圖如圖1,可擬合得出公式(9)(10)(11)的具體表達(dá)式

        表2 某型號直流串勵電動機(jī)測功表

        圖1 扭矩、效率、轉(zhuǎn)速與電流的散點(diǎn)圖

        在θ的坡道上以v1勻速行駛上坡,有以下力學(xué)平衡關(guān)系:

        車速和轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系:

        忽略車載電器功耗,車輛的續(xù)航里程實(shí)驗(yàn)可放出的總電量不超過電池的最大電量

        式中:C為電池額定容量,Ah;Qb為電池總電量,kWh;P為整車勻速行駛時(shí)的功率,kW;t1是以車速v1行駛的可行駛時(shí)間,s1是續(xù)航里程。

        結(jié)合(11)(13),可得:

        結(jié)合(9)(10)(14),可得:

        結(jié)合(9)(12)(15),可得:

        將F1~F6函數(shù)輸入到excel表格,可以快速計(jì)算出在特定的電機(jī)電流I電機(jī)情況下車速v1勻速與坡道θ的關(guān)系。在excel表格中調(diào)節(jié)I電機(jī)及重量m大小,使參數(shù)θ正好為0,可推導(dǎo)出空載滿載續(xù)航里程。調(diào)節(jié)I電機(jī)大小為3倍額定電流,可得出最大爬坡度θmax。

        1.1.5 直流串勵系統(tǒng)匹配結(jié)果

        通過excel進(jìn)行匹配的結(jié)果見表3,從表3可知,按此流程匹配出來的系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

        表3 直流串勵系統(tǒng)匹配結(jié)果

        1.2 鋰電+永磁同步系統(tǒng)動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

        近年來隨著變頻技術(shù)的發(fā)展,同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛。永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)行可靠,效率也相對更高,加上我國永磁材料資源儲備豐富,永磁同步電機(jī)的制造成本低,越來越多的汽車廠傾向于使用永磁同步電動機(jī)。

        1.2.1 根據(jù)目標(biāo)最高車速確定電機(jī)額定功率

        B款11座爬坡王觀光車,搭載S9工作制的永磁同步水冷電機(jī)系統(tǒng),一般不存在運(yùn)行60 min就過熱的情況,額定功率不按前文直流串勵系統(tǒng)的計(jì)算方式來匹配。該車型的市場定位就是在不超過10°/17.6%的坡道上都能以最高車速行駛,電動機(jī)的額定功率應(yīng)不低于此時(shí)的負(fù)載:

        式中:PN為電動機(jī)額定功率,kW;vmax為10°坡的最高車速,km/h;ηT為傳動效率;m為整車滿載質(zhì)量,kg;g為重力加速度,m/s2;f為滾動阻力系數(shù);Cd為空氣阻力系數(shù);S為迎風(fēng)面積,m2;θ10為目標(biāo)爬坡度(即10°/17.6%坡),(°);代入?yún)?shù)后求得Pe≥32.97 kW,取整確定電機(jī)額定功率Pe為33 kW。

        1.2.2 根據(jù)目標(biāo)最大爬坡度及爬坡車速確定電機(jī)峰值功率

        驅(qū)動電機(jī)的峰值功率應(yīng)同時(shí)滿足最大爬坡度、目標(biāo)爬坡車速性能指標(biāo),此時(shí)電動機(jī)的峰值功率應(yīng)不低于此時(shí)的負(fù)載

        式中:Pmax為電動機(jī)峰值功率,θ20為目標(biāo)爬坡度(即20°/36.4%坡),(°);v20為20°的坡道上的最大爬坡車速,km/h。代入?yún)?shù)求得Pmax≥42.4 kW,定Pmax為45 kW,以此功率推算20°/36.4%的坡的短時(shí)最大爬坡車速修正為v20=21.2 km/h;依據(jù)峰值功率45 kW,亦能推算車輛在不超過14°/25%的坡道上,能短時(shí)按最高車速29 km/h行駛。

        1.2.3 根據(jù)最高車速和速比確定電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速

        把數(shù)據(jù)代入式(13)得出峰值轉(zhuǎn)速nmax≥4093 r/min,考慮到車輛持續(xù)以最高車速運(yùn)行時(shí),不應(yīng)始終貼近峰值轉(zhuǎn)速,按保留至少10%的余量,所以取電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速nmax為4500 r/min。

        1.2.4 根據(jù)使用工況確定峰值轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)速

        峰值轉(zhuǎn)矩Tmax決定于以較低車速運(yùn)行時(shí)的最大爬坡度;忽略掉風(fēng)阻項(xiàng),峰值扭矩可根據(jù)以下公式求出為:

        式中:Tmax為峰值扭矩,N·m;θmax為最大爬坡度。代入?yún)?shù)后求得Tmax≥170.4 N·m,取值為Tmax=175 N·m。依據(jù)此扭矩推算最大爬坡度為46.46%。

        額定扭矩取決于車輛行駛的目標(biāo)工況,設(shè)計(jì)目標(biāo)中存在兩個(gè)約束條件,一個(gè)條件是在不超過10°的坡以29 km/h行駛,另一個(gè)條件是在不超過20°坡,能短時(shí)以大于等于20 km/h的車速行駛。根據(jù)公式(12),求出用車常用工況的扭矩介于76.93~143.64 N·m,取平均值得出額定扭矩TN在110 N·m附近。

        將參數(shù)代入公式(21),求出額定轉(zhuǎn)速nN約為2865 r/min;取整后最終確定額定轉(zhuǎn)速nN為2900 r/min。修正后的額定扭矩根據(jù)公式(21)求得TN為108.7 N·m。

        1.2.5 根據(jù)已知的電機(jī)參數(shù)及目標(biāo)平路等速法續(xù)航里程確定磷酸鐵鋰電池參數(shù),以及確定電機(jī)電壓

        根據(jù)已選定驅(qū)動電動機(jī)的峰值功率可以確定電池組的最大輸出功率,根據(jù)行業(yè)內(nèi)磷酸鐵鋰的電芯放電特性,短時(shí)許用放電倍率通常為持續(xù)許用放電倍率的1.5~2倍甚至更高。為減少電池發(fā)熱,短時(shí)放電倍率設(shè)置為不超過1.5倍額定放電倍率。依據(jù)電機(jī)峰值功率為45 kW,推算電池按1C電流放電的功率≥30 kW,因此電池電量應(yīng)不小于30 kW/h。

        若采用某品牌磷酸鐵鋰205 Ah電芯,依據(jù)電池總電量推測系統(tǒng)額定電壓≥146.3 V左右,按磷酸鐵鋰額定電壓為3.2 V單體來計(jì)算,初步求得系統(tǒng)電壓為147.2 V。

        電池電壓接近144 V平臺,所以電控按144 V平臺選型,此時(shí)電機(jī)的各參數(shù)已確定,供方可理論計(jì)算這套參數(shù)的電機(jī),在指定轉(zhuǎn)速和扭矩情況下的電驅(qū)系統(tǒng)效率η電驅(qū),查表或供方給出估算,可得

        式中:T為當(dāng)前扭矩,N·m;n為當(dāng)前轉(zhuǎn)速,r/min;η電驅(qū)為在當(dāng)前扭矩和轉(zhuǎn)速情況下的預(yù)估電驅(qū)效率。

        平路的續(xù)航里程取決于電機(jī)行駛消耗功率和電氣附件消耗功率,其中車輛在平直路面勻速行駛時(shí)的需求功率為:

        式中:P0為電驅(qū)平路行駛功率,kW。根據(jù)動力性能需求里的續(xù)駛里程要求計(jì)算動力電池電量:

        式中:Qb為動力電池電量,kW/h;s為續(xù)駛里程,m;vmax為平路最高行駛車速,km/h;S0C=5%為最小剩余電量,P附為附件平均耗電功率。根據(jù)式(12)(13)(22)可粗略估算η電驅(qū)為77.0%;整車搭載水冷電驅(qū)系統(tǒng),電氣附件P附耗電功率按0.5 kW。再結(jié)合(23)(24)代入?yún)?shù)后可以確定Qb≥30.01 kW/h,而之前選型的147.2 V205 Ah的電池電量為30.18 kW/h≥30.01 kW/h,表明該電量可滿足平直路面29 km/h等速法續(xù)航里程180 km的需求,以此電量推算修正續(xù)航里程為S=181.5 km。

        1.2.6 永磁同步系統(tǒng)匹配結(jié)果

        通過匹配結(jié)果見表4,從表4可知,按此流程匹配出來的系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

        表4 永磁同步系統(tǒng)匹配結(jié)果

        2 整車仿真模型建立

        前文中通過計(jì)算完成動力系統(tǒng)參數(shù)匹配,為了充分驗(yàn)證參數(shù)匹配的合理性,還需要通過仿真分析驗(yàn)證,本研究列舉B款11座觀光車動力系統(tǒng)參數(shù)作為模型,采用AVL-Cruise軟件進(jìn)行車輛建模及仿真分析。

        2.1 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

        B款11座觀光車經(jīng)過計(jì)算匹配的動力系統(tǒng)參數(shù)見表5。

        表5 動力系統(tǒng)參數(shù)

        2.2 整車模型建立

        基于CRUISE建立的整車模型如圖2所示。模型包含整車、電機(jī)、電池、差速器、主減速器、車輪等,建立好各模塊間的機(jī)械連接、電氣連接以及信號連接。

        2.3 仿真結(jié)果分析

        動力性經(jīng)濟(jì)性總體仿真結(jié)果見表6。

        表6 動力性經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

        2.3.1 動力性能仿真結(jié)果分析

        動力性能仿真分析包括最高車速、最大爬坡度和加速度時(shí)間,0~30 km/h加速時(shí)間仿真曲線如圖3所示,最大爬坡度與爬坡車速仿真曲線如圖4所示,從仿真結(jié)果得知,在不超過25%的坡道上都能短時(shí)以最高車速29 km/h行駛;在36.4%的坡道上,短時(shí)爬坡車速為21.16 km/h。這些仿真結(jié)果都與之前所述的理論計(jì)算結(jié)論相符,滿足設(shè)計(jì)要求:在不超過10°/17.6%的坡道上都能以最高車速行駛,在10°/17.6%的坡道上都能短時(shí)以20 km/h的車速行駛。從圖4可知,最大爬坡度為46.97%,與前文的理論計(jì)算結(jié)論相符,滿足設(shè)計(jì)要求:最大爬坡度≥45%。

        2.3.2 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果分析

        等速行駛仿真曲線如圖5所示,從仿真結(jié)果得知,整車滿載以29 km/h的速度勻速行駛,在SOC從100%~5%的過程中,行駛里程為185 km,滿足設(shè)計(jì)要求:平直路面29 km/h等速法續(xù)航里程≥180 km,與前文的理論計(jì)算值也十分接近。

        圖2 CRUISE整車模型

        圖3 0~30km/h加速時(shí)間仿真曲線

        圖4 最大爬坡度與爬坡車速仿真曲線

        圖5 29km/h等速行駛仿真曲線

        3 結(jié)語

        動力系統(tǒng)的匹配是純電動汽車設(shè)計(jì)過程中十分關(guān)鍵的一步。研究的兩種車型的整車參數(shù)及性能指標(biāo),分別搭載不同的動力系統(tǒng),采用理論計(jì)算的方法,對電動機(jī)、動力電池進(jìn)行合理地參數(shù)匹配,達(dá)到動力性和經(jīng)濟(jì)性兼顧的目的。同時(shí)基于AVL-Cruise軟件建立永磁同步系統(tǒng)整車模型,進(jìn)行整車動力性能及經(jīng)濟(jì)性仿真分析,進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析的正確性,為純電動觀光車動力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)提供了一套可行的設(shè)計(jì)流程,對汽車設(shè)計(jì)人員具有一定的參考價(jià)值。

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