輕型純電特種車輛動力傳動匹配仿真

徐正軍，鄧 雷，韓世偉，吳亞渝，徐 杰，樂幫文，夏利兵，王 濤

(重慶鐵馬工業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶 400050)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的向前發(fā)展，各國對裝備作戰(zhàn)需求開始向新能源方向拓展。特別是以美國JLTV為代表的聯(lián)合輕型特種車輛，已經(jīng)開始純電驅(qū)動特種車輛研制工作，并引領(lǐng)歐美等國家大力向該領(lǐng)域發(fā)展，目前其主流的布局方式為“電動機(jī)+二檔變速器”，其動力傳動的匹配關(guān)系著整車機(jī)動性、通過性等性能[1-2]。

1 車輛概況

1.1 基本參數(shù)

純電動車輛傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動電動機(jī)和變速裝置，其動力性主要與驅(qū)動電動機(jī)參數(shù)和變速裝置傳動比有關(guān)，因此滿足純電動汽車的動力性，應(yīng)對驅(qū)動電動機(jī)參數(shù)和變速裝置傳動比進(jìn)行合理匹配。以某4×4輕型純電特種車輛為例，基本參數(shù)見表1。車輛設(shè)計目標(biāo)要求：最高車速不低于110 km/h，最大爬坡度不低于20°，百公里加速不超過15 s。

表1 車輛基本參數(shù)

1.2 技術(shù)思路

基本技術(shù)思路(見圖1)：梳理數(shù)學(xué)模型，包括驅(qū)動電動機(jī)匹配模型、變速傳動比匹配模型、動力輸出模型；應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行編程，仿真分析輸出結(jié)果。

圖1 基本技術(shù)思路

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 驅(qū)動電動機(jī)匹配

驅(qū)動電動機(jī)參數(shù)主要包括額定功率、峰值功率、額定轉(zhuǎn)矩、峰值轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速。電動機(jī)的額定電壓與電動機(jī)的額定功率成正比，額定功率越大，額定電壓也就越大。電動機(jī)的額定電壓選擇與車輛電池的電壓有密切的關(guān)系，要選擇合適的電池組電壓和電流以滿足整車能源的需要，不過最終都是由所選取的參數(shù)來決定額定電壓。驅(qū)動電動機(jī)是電動車輛行駛的動力源，對整車的動力性有直接影響，電動機(jī)的選取要求動力性好，即要求電動機(jī)匹配滿足車輛的最高車速、最大爬坡度及加速性能的要求。其數(shù)學(xué)模型見式1[3-4]。

(1)

2.2 傳動比匹配

采用二檔變速器可以滿足電動機(jī)工作在高效區(qū)，同時滿足經(jīng)濟(jì)性要求。檔位選擇原則：一檔傳動比應(yīng)滿足車輛的爬坡性能，同時兼顧電動機(jī)低速工作區(qū)的效率；二檔傳動比應(yīng)滿足電動汽車行駛的最高車速，同時盡量降低電動機(jī)輸入軸的轉(zhuǎn)速，兼顧電動機(jī)高轉(zhuǎn)速工況下的效率。兩檔位傳動比之間應(yīng)該分配合理，保證一、二檔驅(qū)動力連續(xù)，即二檔時電動機(jī)的基速驅(qū)動力應(yīng)大于等于一檔時電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速下驅(qū)動力，其數(shù)學(xué)模型見式2。

(2)

式中，i0為主減速比；ig12為一檔傳動比上限；b為質(zhì)心到后軸距離；L為軸距；φ為路面附著系數(shù)；ig11為一檔傳動比下限；ig22為二檔傳動比上限；ig21為二檔傳動比下限；Tumax為最高車速下對應(yīng)轉(zhuǎn)矩。

2.3 動力輸出模型

采用汽車?yán)碚摶局R，其數(shù)學(xué)模型見式3[5]。

(3)

式中，Ts為電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速；Ft為車輛驅(qū)動力；it為總傳動比；Ff為車輛滾動阻力；Fw為車輛空氣阻力[6]。

3 參數(shù)匹配計算

3.1 驅(qū)動電動機(jī)參數(shù)匹配

根據(jù)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用MATLAB軟件編程仿真得到電動機(jī)功率-最高車速曲線、電動機(jī)功率-爬坡度曲線、電動機(jī)功率-加速時間曲線(見圖2)[7-8]。

a) 電動機(jī)功率-最高車速曲線

b) 電動機(jī)功率-爬坡度曲線

c) 電動機(jī)功率-加速時間曲線

從圖2可知，最高車速所需功率為19.4 kW，以20 km/h速度爬20°坡時所需功率為30.31 kW，加速時間14 s所需功率為54.8 kW，綜上，取電動機(jī)峰值功率為55 kW，過載系數(shù)取2.5，額定功率為22 kW。應(yīng)用MATLAB軟件編程，利用電動機(jī)轉(zhuǎn)速模型得到最高轉(zhuǎn)速-最高車速曲線、最高轉(zhuǎn)速-傳動比曲線(見圖3)，電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速取3 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速取8 000 r/min。綜上，電動機(jī)匹配參數(shù)見表2。

a) 最高轉(zhuǎn)速-最高車速曲線

b) 最高轉(zhuǎn)速-傳動比曲線

表2 驅(qū)動電動機(jī)匹配參數(shù)

3.2 二檔變速器參數(shù)匹配

根據(jù)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用MATLAB軟件編程計算得到一檔、二檔傳動比范圍：1.93≤ig1≤2.26，0.22≤ig2≤1.69。綜合考慮，選擇一檔傳動比1.98，二檔傳動比1。

4 動力性仿真分析

根據(jù)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用MATLAB軟件編程進(jìn)行車輛動力性仿真，得到車輛驅(qū)動力-行駛阻力圖、加速度-速度曲線、爬坡度-速度曲線如圖4所示。

a) 車輛驅(qū)動力-行駛阻力圖

b) 加速度-速度曲線

c) 爬坡度-速度曲線

從圖4可知，車輛最大速度約為167 km/h；一檔加速度大于二檔加速度；一檔爬坡度大于二檔爬坡度。圖中加速度、爬坡度出現(xiàn)負(fù)值是因車速超過了最高車速。綜上，電動機(jī)參數(shù)匹配、傳動比匹配滿足車輛設(shè)計目標(biāo)要求。

5 驗證與結(jié)論

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《汽車最高車速試驗方法》《汽車加速性能試驗方法》《汽車爬陡坡試驗方法》對實車進(jìn)行動力性測試，測試數(shù)據(jù)見表3。從表3中可以看出，仿真數(shù)據(jù)與試驗測試數(shù)據(jù)基本吻合，誤差主要由試驗路面引起。

表3 試驗測試數(shù)據(jù)

根據(jù)車輛概況梳理車輛基本參數(shù)及設(shè)計目標(biāo)，擬定車輛動力傳動匹配技術(shù)思路。建立驅(qū)動電動機(jī)匹配、傳動比匹配、動力輸出的數(shù)學(xué)模型；應(yīng)用MATLAB軟件編程仿真計算匹配驅(qū)動電動機(jī)參數(shù)、傳動比；進(jìn)一步應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行車輛動力性仿真分析，得到驅(qū)動電動機(jī)匹配、傳動比匹配滿足車輛的設(shè)計目標(biāo)要求。對車輛下一階段工程設(shè)計具有較強的指導(dǎo)作用，對后續(xù)的試驗測試具有一定工程價值。