五檔變速箱電動(dòng)物流車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇建華　劉延濤　鹿森

【摘 要】電動(dòng)物流車運(yùn)營(yíng)需求多樣，工況復(fù)雜多變。為提高整車的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，論文采用五檔變速箱電動(dòng)物流車工程設(shè)計(jì)理念，通過(guò)理論計(jì)算確定動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的參數(shù)，建立五檔變速箱后驅(qū)型車輛模型、核心部件模型及參數(shù)文件，仿真驗(yàn)證車輛動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，最后，開(kāi)發(fā)了一臺(tái)五檔變速箱電動(dòng)物流車，試驗(yàn)表明仿真結(jié)果與實(shí)際性能相一致。

【Abstract】The demand for electric logistics vehicles is diverse， and the working conditions are complicated and changeable. In order to improve the power performance and the economical efficiency， this paper adopts the desigh idea of five-speed gearbox of electric logistics vehicles. Through the theoretical calculation to determine parameters of the power system， then establishes the rear drive vehicle model with five-speed gearbox， the key components model and the parameters files， then verifies the rationality of vehicle power system design by simulation. Finally， a five-speed gearbox of electric logistics vehicle is developed. The experimental results show that the simulation results are in good agreement with the actual performance

【關(guān)鍵詞】物流工程；五檔變速箱；仿真驗(yàn)證；動(dòng)力系統(tǒng)；車輛模型

【Keywords】logistics engineering； five-speed gearbox； simulation verification； power system； vehicle model

【中圖分類號(hào)】U469.7 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）07-0158-04

1 引言

新能源汽車作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，備受各層面關(guān)注。政府部門更是通過(guò)一系列政策、規(guī)定與措施，大力鼓勵(lì)、支持技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。當(dāng)前，新能源汽車領(lǐng)域重點(diǎn)圍繞電池、控制、整車集成、產(chǎn)業(yè)與運(yùn)營(yíng)管理等幾個(gè)方面開(kāi)展研究，涌現(xiàn)了豐碩的成果，推動(dòng)了我國(guó)新能源汽車技術(shù)的進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如，畢軍等[1]依據(jù)電動(dòng)汽車行駛里程與電池SOC的相關(guān)性，采用遞推最小二乘法對(duì)建立模型參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，提高預(yù)測(cè)行駛里程的準(zhǔn)確度。趙軒等[2]為合理確定純電動(dòng)客車的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配比例，提出了基于制動(dòng)駕駛意圖辨識(shí)的復(fù)合制動(dòng)控制策略，仿真結(jié)果表明在保證安全的前提下最大限度地回收了制動(dòng)能量。谷靖等[3]圍繞電動(dòng)汽車的系統(tǒng)構(gòu)型與關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題，通過(guò)仿真驗(yàn)證了整車性能設(shè)計(jì)的合理性。彭濤等[4]針對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，提出了用工程分析與仿真校驗(yàn)相結(jié)合方法，完成車輛主要參數(shù)匹配。畢軍等[5]為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的有效運(yùn)行管理，設(shè)計(jì)了運(yùn)行監(jiān)控與統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)，并通過(guò)試運(yùn)營(yíng)，較好地實(shí)現(xiàn)了車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控和運(yùn)行性能的分析。

從事配送領(lǐng)域的電動(dòng)物流車因運(yùn)營(yíng)成本低廉、可集中運(yùn)營(yíng)等優(yōu)勢(shì)，更是受到生產(chǎn)企業(yè)的青睞，發(fā)展勢(shì)頭蓬勃。電動(dòng)物流車運(yùn)營(yíng)范圍覆蓋城郊和市區(qū)，行駛路況多樣、載貨量重且差異大，要求車輛必須具備加速快、運(yùn)行速度高、爬坡能力強(qiáng)和高效調(diào)速范圍寬等能力，對(duì)車輛整體性能指標(biāo)設(shè)計(jì)提出了較高要求。本文在車輛設(shè)計(jì)初始條件及五檔變速箱選配的基礎(chǔ)上，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算與選配，建立車輛模型與部件模型及參數(shù)文件，對(duì)車輛進(jìn)行仿真分析，最后通過(guò)開(kāi)發(fā)實(shí)例驗(yàn)證五檔變速箱在電動(dòng)物流車工程應(yīng)用上的可行性與優(yōu)勢(shì)。

2 車輛設(shè)計(jì)初始條件

2.1 初始輸入

當(dāng)前，因全新車輛開(kāi)發(fā)費(fèi)用高，電動(dòng)物流車研究通常是從某一成熟的常規(guī)物流車車型出發(fā)，對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行改造或重新設(shè)計(jì)。初始輸入條件需要從原車型和設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行確定，且需要預(yù)先估計(jì)滿載質(zhì)量。車輛和行駛參數(shù)如表1所示。

2.2 整車性能參數(shù)

結(jié)合GB/T 28382-2012、GB/T 1332-1991和QC/T 252-1998等的規(guī)定和要求，純電動(dòng)物流車動(dòng)力性能參數(shù)要求如表2所示。

2.3 變速箱選配

車輛設(shè)置變速箱的主要目的為適合車輛行駛阻力變化，按需改變扭矩與轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)空擋及前進(jìn)、倒退。電動(dòng)物流車運(yùn)營(yíng)活動(dòng)主要集中在市區(qū)和近郊，遇到的工況多種多樣，最低穩(wěn)定行駛車速為3～6km/h，最高車速可達(dá)100km/h，甚至更高。行駛過(guò)程所遇到的阻力變化可在6倍以上，存在起動(dòng)電流大、爬坡無(wú)力、高速加不上、耗電量大，易造成電機(jī)、電池組及控制器損壞，安裝變速箱非常必要。變速箱可使電機(jī)經(jīng)常保持在高效率的工作范圍內(nèi)，提高工況適應(yīng)性和使用效率，減輕電機(jī)和動(dòng)力電池組的負(fù)荷，提高了電動(dòng)汽車的整體能耗經(jīng)濟(jì)性。

部分電動(dòng)車輛裝配單檔變速箱，車輛始終用同一傳動(dòng)比檔位，完成從起步到最高速的行駛，電機(jī)不能回到最佳扭矩輸出區(qū)間，再加速動(dòng)力被大幅削弱，不利于車輛的經(jīng)濟(jì)性與舒適性。且因大齒輪比，車輛巡航狀態(tài)下，電機(jī)長(zhǎng)期處于較高的轉(zhuǎn)速臨界點(diǎn)運(yùn)行，降低了動(dòng)力的輸出效率，功耗較大。同時(shí)還存在著驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)熱、噪聲、軸承壽命、齒輪加工精度高和成本高等諸多問(wèn)題，固定速比變速箱不足以滿足電動(dòng)物流車的最優(yōu)工程設(shè)計(jì)需求。

多檔變速箱在電動(dòng)汽車工程應(yīng)用中具有可高效發(fā)揮電機(jī)運(yùn)行特性、降低電機(jī)功率需求、增加續(xù)駛里程，降低車輛總成本、提升駕駛舒適性，擴(kuò)大車輛的運(yùn)營(yíng)適應(yīng)范圍等優(yōu)勢(shì)，因此采用多檔變速箱是實(shí)現(xiàn)車輛性能的有效途徑。當(dāng)前，在貨運(yùn)物流車上普遍采用的五檔變速箱因可大大提高車輛的動(dòng)力性能，整車匹配技術(shù)成熟，批量產(chǎn)品的成本優(yōu)勢(shì)十分明顯，且駕乘人員習(xí)慣五檔的變檔位操作模式。綜合考慮市場(chǎng)成熟度、可靠性、成本等因素，本文選用某型號(hào)五檔變速箱，參數(shù)如表3所示。

3 參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)計(jì)算與選配

驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)主要包括功率、扭矩、轉(zhuǎn)速等，依據(jù)最高車速、爬坡及加速性能進(jìn)行計(jì)算。

3.1.1 電機(jī)功率計(jì)算

滿足電動(dòng)汽車的最高車速情況下，電機(jī)應(yīng)具備功率：

滿足電動(dòng)汽車在爬坡性能工況下，電機(jī)所消耗功率：

滿足電動(dòng)汽車在水平路面上加速行駛消耗功率：

式中：m為總質(zhì)量；g為重力加速度；va為加速末速度；ta為加速時(shí)間；ηT為傳動(dòng)系效率；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；δ為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)，取1.05。由公式（1）、（2）和（3）得到所需的電機(jī)功率。

3.1.2 電機(jī)扭矩計(jì)算

最大轉(zhuǎn)矩Tmax應(yīng)同時(shí)滿足起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大爬坡度的要求，并結(jié)合傳動(dòng)系最大傳動(dòng)比imax和最大爬坡度amax來(lái)確定。

式中：R為車輪滾動(dòng)半徑；αmax為最大爬坡度；G為滿載車重；imax為傳動(dòng)系最大減速比。由公式（4）得到所需電機(jī)的扭矩。

3.1.3電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算

電機(jī)最高轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足最高車速要求，依據(jù)給定減速比和最高車速下電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：

式中：Vmax為最高車速；imax為最大減速比；由公式（5）得到所需的電機(jī)轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)如表4所示。

結(jié)合表4功率、扭矩和轉(zhuǎn)速需求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型如表5所示。

3.2 動(dòng)力電池計(jì)算與選配

動(dòng)力電池系統(tǒng)是純電動(dòng)車輛的唯一能量來(lái)源，運(yùn)用效能須優(yōu)化，且決定車輛成本，因此必須進(jìn)行慎重選配。

3.2.1最大輸出功率需要單體電池?cái)?shù)目

電池輸出功率應(yīng)滿足電動(dòng)物流車行駛時(shí)所需最大功率要求。且電池滿電時(shí)能量必須大于或等于所需最大能量。

式中：Ppeak為電機(jī)峰值功率；ηm為電機(jī)效率；ηc為電機(jī)控制器效率；Cr為電池單體容量；Vr為單體電壓；ζsoc為電池有效放電容量，取70%；P鋪為輔助設(shè)備功耗，取1kW。

3.2.2 續(xù)駛里程需要單體電池?cái)?shù)目

以30 km/h時(shí)速運(yùn)行，核算續(xù)駛里程要求：

式中：LR為續(xù)駛里程；W1為電動(dòng)汽車行駛1公里所消耗的能量，取0.2kWh/km。

3.2.3 動(dòng)力電池選配

由公式（6）、（7），取單體電池?cái)?shù)為45，即標(biāo)稱電壓144V。動(dòng)力電池選型如表6。

4 仿真與實(shí)例

4.1 模型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

本文以ADVISOR2002平臺(tái)設(shè)計(jì)車輛仿真模型與部件參數(shù)文件。首先構(gòu)建后驅(qū)動(dòng)型車輛模型，其次建立車輛、動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、手動(dòng)五檔變速箱、主減速器及車輪車橋等核心部件模型及參數(shù)文件，最后設(shè)置驅(qū)動(dòng)配置文件，完成五檔變速箱電動(dòng)物流車輸入設(shè)計(jì)。車輛模型與參數(shù)文件設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

在CYC_UDDS城市道路循環(huán)工況下，五檔變速箱電動(dòng)物流車仿真結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，最高速度為111.4km/h，0～50km/h加速時(shí)間7.6s，16.1km/h爬坡度為20%。仿真結(jié)果顯示實(shí)際車速能很好地跟蹤循環(huán)工況速度。放電電流與荷電狀態(tài)變化的曲線表明，車輛在頻繁加減速的工作過(guò)程中動(dòng)力電池電流的快速變化，并實(shí)現(xiàn)了能量回饋。整個(gè)驅(qū)動(dòng)循環(huán)中電機(jī)輸出功率有正有負(fù)，負(fù)值表示電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。

4.2 開(kāi)發(fā)實(shí)例

依據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果，對(duì)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器和動(dòng)力電池等關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成車輛開(kāi)發(fā)。最高車速試驗(yàn)如圖3所示。由圖可見(jiàn)，最高車速為112.2km/h。

由試驗(yàn)結(jié)果得在半載條件下，以30km/h的經(jīng)濟(jì)時(shí)速開(kāi)展跑車試驗(yàn)，車輛續(xù)駛里程達(dá)185km。車輛爬坡度大于31.5%?？梢?jiàn)開(kāi)發(fā)的五檔變速箱電動(dòng)物流車綜合運(yùn)行效能較好，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，電動(dòng)汽車用多檔變速箱大多還處在研發(fā)階段，且成本高，還無(wú)法滿足電動(dòng)汽車蓬勃發(fā)展的需求，采用成本較低、可靠性高，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)反復(fù)驗(yàn)證的傳統(tǒng)多檔變速箱，無(wú)疑是比較明智的選擇。本文通過(guò)嚴(yán)密的理論計(jì)算，建立五檔變速箱后驅(qū)型車輛模型、部件模型及參數(shù)文件，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)選配進(jìn)行驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明滿足性能指標(biāo)要求。最后，工程開(kāi)發(fā)了一臺(tái)五檔變速箱電動(dòng)物流車，試驗(yàn)表明仿真設(shè)計(jì)結(jié)果與車輛實(shí)際性能相一致，且整體運(yùn)行效能比高。

【參考文獻(xiàn)】

【1】畢軍，張家瑋，張棟，等.電動(dòng)汽車行駛里程與電池SOC相關(guān)性分析與建模[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2015，15（1）：49-54.

【2】趙軒，馬建，汪貴平.基于制動(dòng)駕駛意圖辨識(shí)的純電動(dòng)客車復(fù)合制動(dòng)控制策略[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2014，14（4）：64-75.

【3】谷靖，歐陽(yáng)明高，盧蘭光，等.微型純電動(dòng)汽車的系統(tǒng)構(gòu)型與關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)[J].汽車工程，2013，35（1）：7-12.

【4】彭濤，陳全世，田光宇，等.并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2003，39（2）：69-73.

【5】畢軍，關(guān)偉，申金升.電動(dòng)汽車運(yùn)行監(jiān)控與統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2005，5（1）：29-32.