景區(qū)擺渡車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真

宋金龍

摘要：本文以某款電動(dòng)汽車為參考模型，以景區(qū)擺渡車的特殊運(yùn)行工況為設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配，使用AVL CRUISE整車仿真軟件搭建擺渡車模型并進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配合理有效。

關(guān)鍵詞：景區(qū)擺渡車；參數(shù)匹配；仿真分析

1 引言

中國(guó)是旅游大國(guó)，并且景觀資源非常豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，截至2019年，中國(guó)境內(nèi)5A級(jí)景區(qū)有259個(gè)，4A級(jí)景區(qū)有3 034個(gè)，總的景區(qū)景點(diǎn)已經(jīng)超過(guò)3萬(wàn)個(gè)[1]。在中國(guó)旅游景區(qū)中紅色主題旅游景區(qū)有300個(gè)，國(guó)家級(jí)旅游度假區(qū)26個(gè)，達(dá)到旅游休閑水準(zhǔn)的城市多達(dá)10個(gè)，國(guó)家生態(tài)旅游示范地區(qū)達(dá)到110個(gè)[2-3]。根據(jù)中國(guó)旅游研究院公示的《2019年中國(guó)旅游市場(chǎng)基本情況》指出，國(guó)內(nèi)2019年旅游人次達(dá)60.06億，以8.4 %的增速增長(zhǎng)[4]。

國(guó)內(nèi)廣闊的旅游市場(chǎng)，促使相應(yīng)的配套設(shè)施的發(fā)展，景區(qū)擺渡車就是一個(gè)非常重要的將游客從景區(qū)門(mén)口帶到景點(diǎn)的環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段較大的景區(qū)都配備有景區(qū)擺渡車。得益于我國(guó)汽車工業(yè)的自主創(chuàng)新力度不斷加大和應(yīng)用市場(chǎng)的拓展，很多大型汽車制造廠商開(kāi)始涉足景區(qū)用擺渡車，這進(jìn)一步規(guī)范了景區(qū)擺渡車的標(biāo)準(zhǔn)。由于很多景區(qū)以自然資源為主，甚至景區(qū)生態(tài)環(huán)境非常的脆弱，環(huán)境較為特殊，因此對(duì)于環(huán)保的要求較高，新能源汽車是景區(qū)擺渡車的首選。隨著全世界范圍內(nèi)的環(huán)境污染問(wèn)題和能源不足危機(jī)加重，各個(gè)國(guó)家、汽車企業(yè)以及高校對(duì)新能源汽車的開(kāi)發(fā)與研究高度重視，促使新能源汽車技術(shù)得到快速發(fā)展，從而使新能源景區(qū)擺渡車的發(fā)展成為可能[5-7]。

本文以某款純電動(dòng)汽車為參考車型，以景區(qū)擺渡車的特殊運(yùn)行工況為設(shè)計(jì)條件，對(duì)景區(qū)擺渡車的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配計(jì)算，并通過(guò)整車仿真軟件搭建的整車仿真模型進(jìn)行整車性能的仿真驗(yàn)證。

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配計(jì)算

本文選取的參考車型的整備質(zhì)量為1 260 kg，設(shè)計(jì)載客量為10人，滿載質(zhì)量m為2 460 kg，風(fēng)阻系數(shù)CD為0.6，滾動(dòng)阻力系數(shù)f為0.014，迎風(fēng)面積A為2.9 m2，主減速器傳動(dòng)比i0為7.58，滾動(dòng)半徑r為0.254 m。由于景區(qū)擺渡車屬于特種用車，對(duì)最高車速的要求比較低，但是對(duì)爬坡度以及加速性能要求比較高，因此本文設(shè)計(jì)的景區(qū)擺渡車的整車設(shè)計(jì)指標(biāo)如表所示。

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是景區(qū)擺渡車的唯一動(dòng)力源，并且其轉(zhuǎn)速范圍較寬，因此本車型沒(méi)有設(shè)計(jì)變速箱只有主減速器，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接與驅(qū)動(dòng)橋相連經(jīng)主減速器后將動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)整車行駛，所以在對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行參數(shù)匹配時(shí)，需要在較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)都具備較好的輸出特性。以保證滿載時(shí)整車的起步、爬坡和加速性能。除此之外，新能源汽車的另一個(gè)特性就是能量回收，因此選取的驅(qū)動(dòng)電機(jī)還必須能夠反轉(zhuǎn)，從而保證整車減速過(guò)程中可以拖動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行能量回收。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是景區(qū)擺渡車的重要組成部分，也是景區(qū)擺渡車研究的關(guān)鍵，現(xiàn)在常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以分為兩類：同步電動(dòng)機(jī)和異步電機(jī)。異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的成本低，可靠性高，但是控制比較困難，無(wú)法快速達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。矢量控制原理被用于解決異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制問(wèn)題[8]，但是成效不大。永磁鐵同步電機(jī)相比于勵(lì)磁繞組同步電機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，不需要電刷、集電環(huán)以及勵(lì)磁繞組[9]。但是輸出效率相對(duì)較低。本文研究的是景區(qū)擺渡車，其主要運(yùn)行特點(diǎn)是車速較低，爬坡度比較大，啟停頻繁以及負(fù)載高等，即景區(qū)擺渡車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要需求是低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩，因此本文選取的是直流永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該電機(jī)具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，低速特性非常好，過(guò)載能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，調(diào)整性能好，并且具有較小的體積和體重。

帶入電池輸出能量可計(jì)算得動(dòng)力電池的總的電池組容量為543 Ah。動(dòng)力電池的電池容量除需要滿足續(xù)駛離程外，還要滿足短時(shí)大功率放電需求，以滿足整車動(dòng)力性要求，經(jīng)cruise仿真驗(yàn)證得并聯(lián)電池組數(shù)為10組。

2.3 整車模型搭建

目前，國(guó)內(nèi)外車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件主要有AVL Cruise、Carsim、Advisor及Adams等，其功能側(cè)重點(diǎn)各不相同[11]。CRUISE軟件是奧地利AVL公司開(kāi)發(fā)的一款基于模塊化建模的整車仿真軟件，可以用來(lái)研究車輛動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能及制動(dòng)性能的高級(jí)模擬分析軟件。本節(jié)應(yīng)用CRUISE軟件進(jìn)行整車模型的搭建。

整車模型如圖2所示，其各功能塊主要包括：整車模塊（Electric Hybrid Vehicle），輪胎模塊（Vehicle），制動(dòng)器模塊（Disc Brake），電器系統(tǒng)模塊（Electrical System），動(dòng)力電池模塊（NiMH），防滑模塊（ASC），差速器模塊（Differential），傳動(dòng)模塊（Final Drive），驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊（eDrive）模塊等。模塊之間除需要進(jìn)行力矩與電的傳遞外，還需要進(jìn)行信號(hào)傳遞，從而保證各個(gè)模塊能夠進(jìn)行協(xié)同工作。如圖2所示，藍(lán)色線實(shí)現(xiàn)了機(jī)械力矩的傳遞，紅色線實(shí)現(xiàn)了電流的傳遞，信號(hào)傳遞圖中不可見(jiàn)。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

基于cruise搭建的整車模型，且由于景區(qū)擺渡車的最高車速相對(duì)較低、啟停頻繁與FTP75運(yùn)行工況相似，因此選取FTP75運(yùn)行工況進(jìn)行整車經(jīng)濟(jì)性仿真驗(yàn)證。仿真過(guò)程中初始電荷量為90%，為了保證電池壽命不受影響，當(dāng)電池電荷量達(dá)到20%時(shí)，停止仿真。在FTP75循環(huán)工況下仿真結(jié)果如圖3所示，由圖3可知續(xù)駛里程為56.6 km，滿足經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)要求。

3.2 動(dòng)力性仿真結(jié)果

景區(qū)擺渡車的動(dòng)力性仿真結(jié)果如圖4、圖5所示，其分別表示為爬坡度仿真結(jié)果和加速性能仿真結(jié)果。由圖4可知，在車速為30 km/h的最大爬坡度大于40%，由圖5可知0到50 km/h的加速時(shí)間為4.75 s，且在圖5中可看出此款擺渡車的最高車速達(dá)到了100 km/h。

綜上所述，景區(qū)擺渡車的動(dòng)力性仿真結(jié)果滿足整車設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

以某款純電動(dòng)汽車作為景區(qū)擺渡車的設(shè)計(jì)參考車型，對(duì)其驅(qū)動(dòng)電機(jī)與動(dòng)力電池進(jìn)行參數(shù)匹配。通過(guò)cruise仿真軟件搭建整車仿真模型，對(duì)整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了計(jì)算分析，仿真結(jié)果表明，整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果都滿足其設(shè)計(jì)指標(biāo)，參數(shù)匹配比較合理，其匹配計(jì)算過(guò)程對(duì)擺渡車的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

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