某小型電動清掃車動力系統(tǒng)的設計與仿真分析研究

白剛

摘 要：文章根據一項研究課題對設計的一種小型電動清掃車的動力性進行了設計研究，對電動機以及電池參數進行了理論匹配設計，然后采用Advisor汽車動力仿真軟件對其動力性進行了仿真分析，得到結果為：UDDS工況下，該電動清掃車在負載200kg的情況下以20km/h可勻速行駛35.5km，結果說明了匹配參數的合理性，并在此基礎之上，通過在Advisor中修改參數的方式做了進一步優(yōu)化，結果表明，通過減輕整車質量，縮減迎風面積，減小風阻系數等手段，可提高整車動力性能及續(xù)駛里程。

關鍵詞：動力性；參數匹配；仿真分析；優(yōu)化

1 概述

電動清掃車作為一種新興的道路清掃工具，與傳動燃油車相比具有能源來源廣、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。但其動力性、續(xù)駛里程等問題制約了其在現(xiàn)實生活中的推廣[1]。文章針對這樣的問題，對某一小型電動清掃車動力系統(tǒng)進行設計研究，并通過動力仿真軟件對其動力性進行仿真分析，并對相關的匹配參數進一步的優(yōu)化，得出優(yōu)化結論，為電動清掃車的動力系統(tǒng)設計研究提供一定的理論依據。

2 動力傳動系統(tǒng)的參數匹配

動力傳動系統(tǒng)參數的選擇內容如下：合適的電動機參數、傳動比和動力電池組的容量，目的是達到電動清掃車動力性及續(xù)駛里程的要求[2]。

2.1 設計要求

根據實際工況要求，該小型電動清掃車動力設計要求如表1所示：

表1 動力性要求

2.2 電動機參數選擇

電動機作為電動清掃車的主要動力來源，其功率會直接影響到整車動力性能，大功率電機的加速性能、最大爬坡度都比較優(yōu)良，但是其體積與質量也比較大，對于小型電動清掃車而言，其續(xù)駛里程就會受到影響[3]。文章選擇直流電機作為動力系統(tǒng)驅動源，根據最高車速確定電機的最大功率Pmax1；根據整車以速度vi行駛的最大爬坡度確定Pmax2；根據加速性能確定Pmax3，動力源總功率 Pmax必須要滿足上述三項指標的設計要求[4]，即

驅動電機的額定功率可由峰值功率求得：

（2）

式中λ為過載系數。

2.3 傳動比設計

汽車傳動系主要功能：第一是把驅動電機輸出軸上的轉矩按總傳動比放大，傳送至驅動輪上；第二是把驅動電機的轉速按總傳動比縮小，轉換成相應的車速[5]；設計時要求電動機既能在恒轉矩區(qū)提供較高的瞬時轉矩，又能在恒功率區(qū)提供較高的運行速度[6]。

（1）傳動系的總傳動比上限。

傳動系總傳動比上限即最小傳動比imin是變速器最高檔速比與主減速器速比的乘積，由電動機的最高轉速和電動汽車的最高車速決定：

（3）

式中：nmax為電機最高轉速，vmax為最高車速，r為車輪滾動半徑。

（2）傳動系的總傳動比下限。

傳動系總傳動比上限即最小傳動比imax由電動機最大輸出轉矩和最大爬坡度確定：

（4）

式中：f為滾動阻力系數，αmax為最大爬坡度，Tmax為最大輸出轉矩，η為傳動系總效率。

2.4 電池組容量的選擇

在保證電動清掃車的動力性及續(xù)駛里程的前提下，最大輸出功率和能量是電池組容量最主要考慮因素[7]。當今，鋰電池作為最具有發(fā)展前景的電池之一，具有能量密度高，充電效率高，循環(huán)壽命長且沒有記憶效應等特點，文章選用了磷酸鐵鋰電池組，電池數目由以下兩種方法確定[8]：

（1）以最大功率選擇

（5）

式中：Pbmax為電池最大輸出功率，ηe為電機工作功率，ηec為電機控制器工作功率。

（2）以續(xù)駛里程選擇

（6）

式中：L為續(xù)駛里程，W為行駛1km所消耗的能量，Vi為單電池電壓，Cr為單節(jié)電池額定容量；

2.5 匹配結果

理論計算需要的設計參數以及最終確定的匹配參數如表2所示：

3 仿真模型的建立

advisor在給定的道路循環(huán)條件下利用車輛各部分參數，能快速地分析傳統(tǒng)汽車、純電動汽車和混合動力汽車的燃油經濟性、動力性以及排放性等各種性能[9-10]。文章通過advisor軟件建立電動清掃車汽車模型，對車輛模塊及動力電池模塊進行重新修改預定義，表3為仿真模型參數。

4 仿真分析

4.1 動力性能仿真結果

圖1為車速隨時間變化關系曲線，可以從圖中看出，最大車速為51km/h，其余皆與理論分析結果吻合，符合設計要求；圖2為SOC隨時間變化曲線。

表4為該電動清掃車動力仿真結果，如表所示，該車動力性能符合設計要求。

4.2 續(xù)駛里程分析結果

圖3為該電動清掃車在UDDS工況下車速和蓄電池SOC隨時間變化情況，由圖可以看出來，在模擬完一個工況之后蓄電池SOC下降了3.5%左右。

該小型電動清掃車續(xù)駛里程的分析結果與其行駛模式和實際工況有關系，文章選擇蓄電池純電動續(xù)駛里程仿真計算，在UDDS工況下，該電動清掃車在200kg的載荷下，以20km/h勻速行駛可以持續(xù)運行35.5km，滿足設計要求。

5 設計優(yōu)化

本課題針對設計的小型電動清掃車做出進一步的改進，整車質量上，由原來的600kg變?yōu)?00kg，負載由原來的200kg變?yōu)?50kg，將風阻系數改為0.25，迎風面積改為1.3m2，再對其進行整車動力性能及續(xù)駛里程進行分析，得到結果如表5所示：

由表5可以得到：減輕整車質量以及負載，減小風阻系數以及整車迎風面積，可以在一定程度上提高該電動清掃車的動力性能及續(xù)駛里程。

6 結束語

通過利用advisor汽車動力仿真軟件，對設計的小型電動清掃車進行動力性以及續(xù)駛里程仿真分析，結果顯示該電動清掃車的動力性能及續(xù)駛里程都滿足設計要求。在此基礎上，又對其進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化結果顯示：整車質量、風阻系數以及迎風面積對該電動清掃車的動力性及續(xù)駛里程有一定的影響，這為電動清掃車的設計提供了理論參照。

參考文獻

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