重型環(huán)衛(wèi)車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配及性能仿真

李威華

比亞迪汽車工業(yè)有限公司 廣東深圳 518118

1 前言

隨著傳統(tǒng)石油能源的過度使用以及過度依賴，環(huán)境污染是亟需解決的世界性難題。面對節(jié)能環(huán)保的要求，電動汽車逐漸成為研究熱點(diǎn)，其具有低污染、低能耗、能量利用效率高等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境保護(hù)和能源可持續(xù)利用等方面具有明顯的優(yōu)勢。同時(shí)其平穩(wěn)性突出，尤其適用于城市道路。近年來，純電動環(huán)衛(wèi)車發(fā)展迅猛，技術(shù)日趨成熟，關(guān)于其動力系統(tǒng)的優(yōu)化匹配也在持續(xù)研究中。筆者對重型純電動環(huán)衛(wèi)車動力系統(tǒng)進(jìn)行了匹配設(shè)計(jì)，主要包括電機(jī)、變速器、電池參數(shù)匹配，得到了滿足于動力經(jīng)濟(jì)性的純電動環(huán)衛(wèi)車動力系統(tǒng)。

2 基本參數(shù)及動力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)要求

2.1 整車基本參數(shù)

本文車型為N3類重型純電動環(huán)衛(wèi)車，整車基本參數(shù)如下：長×寬×高為10 220 mm×2 865 mm×3 725 mm，軸距為4 291+1 350+1 270 mm，整備質(zhì)量為18 000 kg，滿載質(zhì)量為32 000 kg，總布置圖如圖1、2 所示。

圖1 重型純電動環(huán)衛(wèi)車總布置正視圖

圖2 重型純電動環(huán)衛(wèi)車底盤總布置俯視圖

2.2 動力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)要求

動力性能試驗(yàn)方法參照國標(biāo)[1]，經(jīng)濟(jì)性能試驗(yàn)方法參照國標(biāo)[2,3]，提出電動汽車動力經(jīng)濟(jì)性評價(jià)指標(biāo)，如表1、2所示。

表1 重型純電動環(huán)衛(wèi)車動力性指標(biāo)

表2 重型純電動環(huán)衛(wèi)車經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

3 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

3.1 電機(jī)參數(shù)匹配

3.1.1 電機(jī)功率的確定

在車輛運(yùn)行過程中，電機(jī)的有效功率和行駛阻力是平衡的。不考慮風(fēng)速的影響，可得電動汽車功率平衡方程為：

式中，Pm為 電機(jī)功率，kW；m為 車輛總質(zhì)量，kg；f為滾動阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2；ρ為空氣密度；θ為道路坡度角；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；η為傳動系統(tǒng)效率，取η=0 .93；v為車輛運(yùn)行速度，汽車與空氣的相對速度為va（ 風(fēng)速為0 時(shí)v=va），km/h 。

3.1.1.1 額定功率的確定

a.最高車速需求功率的確定

最高車速是考量汽車性能的重要指標(biāo)。汽車在達(dá)到最高車速時(shí)，車輛的驅(qū)動力與行駛阻力達(dá)到平衡，不考慮坡道的影響，此時(shí)汽車的阻力主要是滾動阻力與空氣阻力。設(shè)計(jì)中一般以滿足設(shè)計(jì)的最高車速來確認(rèn)電機(jī)的額定功率，額定功率應(yīng)不小于車輛半載時(shí)以最高車速勻速行駛時(shí)的阻力功率，電機(jī)的額定功率平衡方程為：

式中 ，P? 為電機(jī)額定功率，kW；vmax為車輛最高車速，km/h。

b.持續(xù)爬坡需求功率的確定

車輛在5%坡度達(dá)到最高車速時(shí)，車輛的驅(qū)動力與行駛阻力達(dá)到平衡，此時(shí)汽車的阻力主要是滾動阻力、坡度阻力和空氣阻力。電機(jī)的額定功率應(yīng)能滿足車輛滿載時(shí)的爬坡功率需求，電機(jī)的額定功率平衡方程為：

c.制動回饋功率的確定

按照國標(biāo)[4]要求，該車還應(yīng)校核制動性能，即車輛滿載時(shí)以30 km/h的平均車速在6%坡道上，下坡行駛6 km的所有能量能被電機(jī)全部回收，計(jì)算公式如下：

式中，P回為電機(jī)回饋功率，kW。

d.工況平均需求功率的確定

根據(jù)國標(biāo)[3]中規(guī)定的C-WTVC工況，按市區(qū)：公路：高速=1:3:6時(shí)，半載時(shí)的額定功率應(yīng)不小于按里程比例分配的平均功率，計(jì)算公式如下：

式中 ，P均 為 平均功率,kW；Q為 所耗能量,kWh；t為所耗時(shí)間，h。

3.1.1.2 峰值功率的確定

a.加速性能功率需求

電機(jī)的峰值功率應(yīng)滿足加速時(shí)間要求，忽略坡度阻力的影響，即：

式中，P峰為電機(jī)最大功率，kW。

根據(jù)上述公式（1）～（6），代入數(shù)據(jù)，電機(jī)功率需求計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 重型純電動環(huán)衛(wèi)車電機(jī)功率需求

3.1.2 輪端扭矩的確定

3.1.2.1 峰值輪端扭矩的確定

輪端扭矩應(yīng)滿足車輛實(shí)際運(yùn)行過程中的最大爬坡度要求，爬坡過程中車速較低，空氣阻力很小，為簡化計(jì)算過程，忽略其影響，簡化計(jì)算公式如下:

式中，T峰為輪端最大扭矩，N·m；r為輪胎滾動半徑，m。

為防止驅(qū)動輪打滑，對于后輪驅(qū)動車輛，作用在驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩引起的地面切向反作用力不能大于附著力，即：

式中，Tt為驅(qū)動輪扭矩，N·m；φ為附著系數(shù)；Fz2為驅(qū)動輪法向反作用力，N。

3.1.2.2 額定輪端扭矩的確定

額定輪端扭矩應(yīng)滿足實(shí)際運(yùn)行中持續(xù)爬坡5%的要求，即：

式中，T額為輪端額定扭矩，N m。

3.1.2.3 起步爬坡需求輪端扭矩的確定

根據(jù)國標(biāo)[1]的規(guī)定，起步坡度計(jì)算公式如下：

式中，Cn為最大動力軸扭矩，N m；T為總的齒輪傳動比；ητ為齒輪傳動效率；M為試驗(yàn)時(shí)的最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量，kg；R為滾動阻尼系數(shù)，一般為0.01。

根據(jù)公(7)～(10)，代入數(shù)據(jù)，輪端扭矩需求計(jì)算結(jié)果。如表4所示。

表4 重型純電動環(huán)衛(wèi)車輪端扭矩需求

3.2 變速器速比的確定

電動機(jī)有很大的啟動轉(zhuǎn)矩，具有低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率的特點(diǎn)，能夠根據(jù)車輛需求輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。電動汽車傳動比的選擇需要滿足最高車速和最大爬坡度的要求。選定電機(jī)后，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與最大轉(zhuǎn)矩隨之確定，這就需要選擇合適的傳動比來滿足車輛的性能要求。

3.2.1 最高檔傳動比的確定

最小傳動比根據(jù)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax和 最高車速Vmax確定，且最高車速對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速不大于nmax即：

式中，nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，r/min；imin為最小傳動比；i1為變速器一檔速比；i2為變速器二檔速比；i端為輪端速比。

3.2.2 最低檔傳動比的確定

最大傳動比根據(jù)最大爬角度θmax和電機(jī)最大扭矩Tmax確定，即：

式中，imax為最大傳動比。

根據(jù)公式(11)、(12)，代入數(shù)據(jù)，可得imin≤1 5.83，imax≥34.21。

3.3 電機(jī)及變速器方案的確定

3.3.1 電機(jī)及變速器參數(shù)的確定

根據(jù)表3以及傳動比的計(jì)算結(jié)果可知，該車對電機(jī)功率和扭矩需求較大，結(jié)合上述計(jì)算分析，最終選擇2912電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，數(shù)量為2，電機(jī)參數(shù)如表5所示。

表5 2912電機(jī)參數(shù)

根據(jù)上述計(jì)算可知，變速器速比闊度大，采用兩擋箱即可滿足需求，根據(jù)現(xiàn)有變速器型號，最終選取變速器速比為i1=12.451、i2=4.295，輪端速比i端=3.088。

3.3.2 單電機(jī)集成橋

單電機(jī)集成橋集成了驅(qū)動電機(jī)、兩擋自動變速箱自動電液換擋控制模塊及車橋于一體，極大地提高了動力的傳遞效率，提升了整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性，如圖3、4所示。其集成的變速箱箱體由鋁合金鑄造，比鑄鐵箱體輕60%～70%，具有環(huán)保、抗銹及優(yōu)良的導(dǎo)熱性、易于機(jī)加工，同時(shí)省去此處的傳動軸，節(jié)約制造成本及降低車輛的故障率，綜合考慮采用單電機(jī)集成橋確定電機(jī)及變速器的方案。

圖3 單電機(jī)集成橋前視圖

圖4 單電機(jī)集成橋俯視圖

3.4 電池參數(shù)的確定

3.4.1 電池總電量的確定

電池總電量的大小直接決定了車輛的續(xù)駛里程，匹配大容量的電池會增加車輛的續(xù)駛里程，但同時(shí)也會增大整車質(zhì)量，且成本也會相應(yīng)增長，因此，匹配合理的電池容量尤為重要。這里分別按照國標(biāo)[3]的等速法和工況法計(jì)算確定電池的總電量，勻速法根據(jù)目標(biāo)車速計(jì)算輪端阻力功率，而汽車行駛所需電池功率如式(13)，當(dāng)電池放電功率或電壓平臺下的電機(jī)功率小于目標(biāo)車速×90%所需的電機(jī)功率時(shí)，計(jì)算得出需求電量Q為285.1 kWh。

式中，Pz為整車阻力功率，kW；ηt為傳動效率，取ηt=0.91；ηn為電機(jī)效率，取ηn=0.94；ηe為控制器效率，取ηe=0.96；ηb為電池放電效率，取ηb=0.98；fz為必要附件功率，取fz=1 kW。

在C-WTVC工況下，市區(qū)：公路：高速=1:3:6，根據(jù)目標(biāo)車速計(jì)算輪端阻力功率，根據(jù)上述效率計(jì)算電池放電功率，計(jì)算可得滿載需求電量為307.4 kWh。

3.4.2 電池放電功率的確定

目前電池放電策略如式(14)，其中Pb為電池放電功率，Pm為電機(jī)功率：

根據(jù)公式(1)、(14)，可以算出，各工況需求的電池峰值和額定放電功率如表6所示。

表6 電池放電功率需求表

3.4.3 電池包方案的確定

前可供選擇的標(biāo)準(zhǔn)包參數(shù)如表7所示。

表7 標(biāo)準(zhǔn)包參數(shù)

根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果，T01需要至少7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)包，T02需要至少16個(gè)標(biāo)準(zhǔn)包，綜合考慮布置空間及駕駛室結(jié)構(gòu)形式，選擇T02標(biāo)準(zhǔn)包4串4并的布置方案。此時(shí)電池包電壓為642.4 V，電量為321.2 kWh，電池包電量符合計(jì)算需求，電池峰值和額定放電功率也滿足電機(jī)功率需求，具體方案如表8所示。

表8 電池包方案

4 基于Matlab軟件的整車性能仿真

4.1 仿真模型建立

在Matlab軟件中，通過對各個(gè)動力系統(tǒng)進(jìn)行建模，設(shè)定仿真邊界條件：電池初始SOC 為1（100%），終止SOC為0.05（5%），分別進(jìn)行車輛空載、半載、滿載狀態(tài)下的各項(xiàng)性能仿真。在Matlab 軟件中建立公差模塊、工況模塊、電池模塊、電機(jī)模塊、行駛阻力模塊、換擋模塊等進(jìn)而完成了重型純電動環(huán)衛(wèi)車仿真模型，如圖5 所示。用到的驅(qū)動電機(jī)外特性曲線，如圖6所示。

圖5 重型純電動環(huán)衛(wèi)車Matlab仿真模型

圖6 驅(qū)動電機(jī)外特性曲線

4.2 仿真動力性結(jié)果分析

通過Matlab軟件建立仿真模型，分析最高車速、加速性能和爬坡性能，動力性能仿真結(jié)果如表9所示。爬坡車速性能曲線如圖7所示，最大爬坡度性能曲線如圖8所示，加速性能曲線如圖9所示。

表9 動力性能仿真結(jié)果

圖7 最高車速及爬坡車速性能曲線

圖8 最大爬坡度性能曲線

4.3 續(xù)駛里程分析

根據(jù)國標(biāo)[3]分別計(jì)算該車在勻速40 km/h車速和CWTVC工況下的續(xù)駛里程，工況運(yùn)行圖如圖10所示，仿真結(jié)果如表10所示。

圖9 加速性能曲線

圖10 工況運(yùn)行圖

5 結(jié)語

純電動汽車能有效緩解汽車工業(yè)對燃油的依賴，是降低尾氣污染的有效手段。因此，本文重型純電動環(huán)衛(wèi)車為研究對象，對動力系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，并利用電動汽車仿真軟件Matlab建立相應(yīng)的純電動環(huán)衛(wèi)車動力系統(tǒng)及整車的仿真模型，對整車模型的最高車速、加速能力、爬坡性能和續(xù)駛里程等指標(biāo)進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明，續(xù)駛里程、最高車速、加速性能和爬坡性能等均滿足重型環(huán)衛(wèi)車的性能要求和使用條件，方案可行。

表10 重型純電動環(huán)衛(wèi)車?yán)m(xù)駛里程仿真結(jié)果