沃森電動(dòng)觀光車的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

李 敏，于 盼，王豐元，王武宏

（1.青島理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，青島 266520；2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

0 引言

旅游業(yè)伴隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高也獲得了空前發(fā)展，而由于石油資源的匱乏和節(jié)能環(huán)保觀念的普及，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)觀光車已不能滿足相關(guān)排放政策的要求，對(duì)景區(qū)環(huán)境造成了很大的傷害，電動(dòng)觀光車取而代之。研究電動(dòng)觀光車具有深遠(yuǎn)意義。首先，這一研究有利于十二五時(shí)期可再生能源建筑應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，可以有效緩解能源緊張的問題。其次，電動(dòng)觀光車的一大特點(diǎn)就是低碳、節(jié)能、環(huán)保，研究電動(dòng)觀光車可以有效改善生存環(huán)境，促進(jìn)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，有利于資源的合理利用。最后，推廣使用電動(dòng)觀光車可以增加當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。

1 設(shè)計(jì)要求和參數(shù)選擇

本次設(shè)計(jì)的是沃森電動(dòng)觀光車，要求和大致數(shù)據(jù) 如下：

1）所設(shè)計(jì)的電動(dòng)觀光車為電力驅(qū)動(dòng)，并且是以電池作為動(dòng)力源；

2）所設(shè)計(jì)的電動(dòng)觀光車的最高車速不得高于30km/h；

3）所設(shè)計(jì)的電動(dòng)觀光車的座位數(shù)為8；

4）所設(shè)計(jì)的電動(dòng)觀光車的續(xù)駛里程應(yīng)大于100km；

5）所設(shè)計(jì)的電動(dòng)觀光車的外形尺寸（長×寬×高）：3750×1248×1830mm。

所設(shè)計(jì)的電動(dòng)觀光車的結(jié)構(gòu)參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)和性能參數(shù)顯示在表1中。

表1 電動(dòng)觀光車參數(shù)

2 電動(dòng)機(jī)和電池的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核

2.1 電動(dòng)機(jī)的選擇

電動(dòng)機(jī)將蓄電池的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，電動(dòng)機(jī)的特性決定了推進(jìn)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的特性，同時(shí)也決定了機(jī)械轉(zhuǎn)換器中功率轉(zhuǎn)換裝置的特性。

要選擇合適的電動(dòng)機(jī)必須進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的計(jì)算。首先，計(jì)算功率和轉(zhuǎn)速，選擇出滿足需要的電動(dòng)機(jī)，然后進(jìn)行驗(yàn)算。

功率：

滾動(dòng)阻力：

空氣阻力：

ηT為機(jī)械效率，取0.91，ua為行駛車速，a為坡度角，A為汽車迎風(fēng)面積。

則功率：

最高轉(zhuǎn)速：

D為輪胎直徑：

由以上計(jì)算得出電機(jī)功率至少為1.92kW，轉(zhuǎn)速最低為264r/min,我選用的是無刷永磁同步電機(jī)，因電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)使用未形成一定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則，故而選用了大地有限電氣公司生產(chǎn)的一型號(hào)電動(dòng)機(jī)，參數(shù)如表2所示。

表2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)

2.2 電池的選擇

蓄電池是為電動(dòng)汽車提供能量的重要裝置，蓄電池的功率決定了電動(dòng)汽車的加速和爬坡性能；而能量密度給出了其潛在的運(yùn)行范圍；循環(huán)壽命決定了蓄電池充電到滿容量的次數(shù)；蓄電池的質(zhì)量和體積在一定范圍內(nèi)影響著整個(gè)系統(tǒng)的效率。目前蓄電池技術(shù)也日趨成熟，不斷有高新技術(shù)的電池問世。

酸蓄電池是技術(shù)最成熟的一種，成本也最低，考慮到成本和技術(shù)水平，本次選用鉛酸蓄電池作為電動(dòng)車的動(dòng)力源。其中電壓為電動(dòng)機(jī)的電壓48V，容量由電動(dòng)車的蓄駛里程決定。

電動(dòng)車能夠行使的時(shí)間為：

電池的容量為：

s為續(xù)駛里程，P為電動(dòng)機(jī)功率，Ua為電動(dòng)機(jī)額定電壓。

由以上計(jì)算可知，電池容量至少172Ah，我選擇200Ah的鉛酸蓄電池，電池電壓為12V，所以需要4個(gè)蓄電池才能完成驅(qū)動(dòng)。

2.3 電動(dòng)機(jī)和電池的校核

電動(dòng)機(jī)主要與電動(dòng)汽車的駕駛性能密切相關(guān)，電動(dòng)機(jī)的功率將直接決定它能提供的驅(qū)動(dòng)力，轉(zhuǎn)速直接影響最高車速，而它與蓄電池的配合工作將影響電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。接下來我們將檢驗(yàn)所選電動(dòng)機(jī)能否滿足要求，主要檢驗(yàn)三個(gè)方面：電動(dòng)機(jī)所提供的驅(qū)動(dòng)力能否滿足汽車行駛要求、汽車所能達(dá)到的最高車速是否符合要求和與蓄電池配合工作是否能夠提供足夠的續(xù)駛里程。

汽車行駛所需驅(qū)動(dòng)力：

電動(dòng)機(jī)所能提供的驅(qū)動(dòng)力為：

最高車速：

續(xù)駛里程：

以上校核所得數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 結(jié)果對(duì)比

通過以上驗(yàn)算可知，所選用的電動(dòng)機(jī)和電池均符合要求，得出以下參數(shù)，如表4所示。

表4 汽車參數(shù)

3 其他各部分總成的設(shè)計(jì)

3.1 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車除了用電動(dòng)機(jī)及電池取代了發(fā)動(dòng)機(jī)外，其他底盤布置與內(nèi)燃機(jī)汽車并無明顯差異。傳動(dòng)裝置的功用是將發(fā)電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)輪，使汽車以一定的車速正常行駛。電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)共有四種典型類型：機(jī)械傳動(dòng)形式、機(jī)電集成式傳動(dòng)、電動(dòng)橋傳動(dòng)、電動(dòng)輪傳動(dòng)。

本次設(shè)計(jì)的電動(dòng)觀光車采用后輪驅(qū)動(dòng)模式，其傳動(dòng)形式如圖1所示。

圖1 電動(dòng)觀光車的傳動(dòng)形式

減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為一對(duì)格林森制弧齒錐齒輪，差速器行星齒輪我選用直齒錐齒輪，半軸選用全浮式半軸。

3.2 行駛裝置的設(shè)計(jì)

汽車行駛裝置一般包括車架、車橋、車輪和懸架。此次設(shè)計(jì)的電動(dòng)觀光車的行駛路況相對(duì)較好，車速不高，因此選用鋼管式車架；前軸采用麥弗遜式懸架、斷開式轉(zhuǎn)向橋，后軸采用鋼板彈簧非獨(dú)立懸架、整體式驅(qū)動(dòng)橋；輪胎選用子午線輪胎。

3.3 制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

制動(dòng)裝置是汽車行駛時(shí)能使汽車在短時(shí)間內(nèi)停車且維持行駛方向穩(wěn)定性和下長坡時(shí)能維持一定車速的裝置。制動(dòng)裝置包括制動(dòng)器和制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（包括供能裝置、控制裝置、傳動(dòng)裝置、制動(dòng)力調(diào)節(jié)裝置、報(bào)警裝置、壓力保護(hù)裝置等）。本次設(shè)計(jì)的電動(dòng)觀光車的前輪選用盤式制動(dòng)器，后輪選用領(lǐng)從蹄式制動(dòng)器。

4 電動(dòng)觀光車的優(yōu)化

電動(dòng)汽車與內(nèi)燃機(jī)汽車相比有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)既可正轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，又可反轉(zhuǎn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，這一特點(diǎn)使電動(dòng)汽車在制動(dòng)時(shí)與其他內(nèi)燃機(jī)汽車有很大差異，普通內(nèi)燃機(jī)汽車制動(dòng)時(shí)只由機(jī)械摩擦器產(chǎn)生制動(dòng)力，而電動(dòng)汽車的制動(dòng)力則可由機(jī)械摩擦制動(dòng)力和電機(jī)產(chǎn)生的制動(dòng)力提供，將電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能夠回收制動(dòng)能量的制動(dòng)力叫做再生制動(dòng)力。如果電動(dòng)汽車單純的靠回收再生制動(dòng)力制動(dòng)，在緊急剎車時(shí)不能保證制動(dòng)效能的有效性和行駛安全性，因此，電動(dòng)汽車上還保留了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車制動(dòng)時(shí)所使用的機(jī)械摩擦制動(dòng)方式。同時(shí)這也帶來了一個(gè)問題，要求良好的制動(dòng)性能和盡可能大的回收制動(dòng)能量這兩方面是矛盾的，針對(duì)這一突出問題，此次設(shè)計(jì)將提出相關(guān)優(yōu)化方案對(duì)沃森電動(dòng)觀光車的制動(dòng)力分配進(jìn)行改進(jìn)方案，以提高使用性能并兼顧經(jīng)濟(jì)行駛、節(jié)能環(huán)保的目的。

能量回收受很多因素的制約，首先，制動(dòng)力的分配應(yīng)滿足聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)委員會(huì)制定的ECE R13制動(dòng)法規(guī)（對(duì)于z=0.1～0.61之間的各種車輛，要求制動(dòng)強(qiáng)度）；其次，在傳動(dòng)過程中存在著各種摩擦耗能；另外，在能量轉(zhuǎn)換過程中，各種銅耗、鐵耗也將影響制動(dòng)能量的回收。針對(duì)制動(dòng)能量回收的高效性這一問題，本次設(shè)計(jì)提出了相關(guān)優(yōu)化方案。

4.1 遺傳算法

影響制動(dòng)能量回收的因素主要有兩個(gè)：機(jī)械制動(dòng)力與再生制動(dòng)力的分配比例；前、后輪機(jī)械摩擦制動(dòng)力的分配比例。對(duì)于前、后輪機(jī)械摩擦制動(dòng)力的分配比例可以采用遺傳算法來確定。

遺傳算法是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過程的計(jì)算模型發(fā)展起來的隨機(jī)全局搜索和優(yōu)化方法。它的本質(zhì)是一種高效、并行、全局搜索的方法，它能在搜索過程中自動(dòng)獲取和積累有關(guān)空間搜索的知識(shí)，并自適應(yīng)地控制搜索過程以求得最優(yōu)解，適用于那些沒有明確的函數(shù)關(guān)系和目標(biāo)函數(shù)無法或者很難求導(dǎo)的問題。其計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 遺傳算法流程圖

4.2 優(yōu)化

制動(dòng)力表達(dá)式為：

Fd為總需求制動(dòng)力，F(xiàn)m為電動(dòng)機(jī)可提供制動(dòng)力，F(xiàn)f為前輪機(jī)械摩擦制動(dòng)力，F(xiàn)r為后輪機(jī)械摩擦制動(dòng)力。

使用遺傳算法優(yōu)化上述問題時(shí)，在某一制動(dòng)強(qiáng)度下各種制動(dòng)力分配方案即為初始種群，在各種情況下所回收的制動(dòng)能量為適應(yīng)度值。遺傳算法的實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇：種群數(shù)目100，交叉概率0.8，變異概率0.01，進(jìn)化代數(shù)100。例如在制動(dòng)強(qiáng)度為0.55下的分配方案使用MATLAB遺傳算法工具箱gatool的操作，運(yùn)行后得出圖3、圖4和圖5的數(shù)據(jù)圖形。

圖3 運(yùn)行后得出的數(shù)據(jù)圖形1

圖4 運(yùn)行后得出的數(shù)據(jù)圖形2

圖5 運(yùn)行后得出的數(shù)據(jù)圖形3

使用遺傳算法得出的解即為最優(yōu)解，可以在保證制動(dòng)效能滿足條件的情況下實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的高效回收。

5 結(jié)論

電動(dòng)汽車制動(dòng)能量的回收是電動(dòng)汽車的一大優(yōu)勢，同時(shí)也是一項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)。使用遺傳算法對(duì)前、后輪機(jī)械摩擦制動(dòng)力進(jìn)行分配計(jì)算，最后得出最接近期望的最優(yōu)解或次優(yōu)解，能夠提高電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)行駛的能力，對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展有一定的推動(dòng)作用。

電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)力和機(jī)械制動(dòng)力分配除了受制動(dòng)環(huán)境情況的影響外，還受電池荷電狀態(tài)（SOC）的限制和車速的影響。當(dāng)電池剩余容量很高時(shí)，為了防止過充電，再生制動(dòng)力所占比例會(huì)相應(yīng)小些，隨著SOC的降低，再生制動(dòng)比例又會(huì)隨著相應(yīng)增加；同樣，車速較低時(shí)，再生制動(dòng)回收能量效率較低，所占比例就會(huì)較小，車速較高時(shí)，比例也會(huì)有所提高。這一系列的問題均有待進(jìn)一步的研究并提出切實(shí)可行的改進(jìn)方案。

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