王長(zhǎng)明,孫廷軍,左鵬進(jìn),孫鎮(zhèn),張繼法,于志超,陳濤
(255000山東省 淄博市 山東唐駿歐鈴汽車制造有限公司 汽車研究院)
對(duì)于傳統(tǒng)汽車帶來(lái)的能源及環(huán)境污染問(wèn)題,開(kāi)發(fā)和研究純電動(dòng)車是解決問(wèn)題的重要手段之一[1]。本文以我公司開(kāi)發(fā)的某款純電動(dòng)物流車為研究對(duì)象,依據(jù)市場(chǎng)需求,確定整車開(kāi)發(fā)需求參數(shù)后,通過(guò)理論計(jì)算完成其驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)、傳動(dòng)系速比的匹配與選型[2]。運(yùn)用AVL-Cruise軟件搭建該車型整車仿真模型,對(duì)其動(dòng)力性進(jìn)行仿真運(yùn)算,將仿真結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了仿真模型的正確性。后期利用該仿真模型修改動(dòng)力電池模塊參數(shù)使開(kāi)發(fā)車型達(dá)到合適的續(xù)航里程,使該車型單位載質(zhì)量能量消耗量(Ekg)指標(biāo)滿足新能源汽車推廣應(yīng)用補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)要求,為該車型順利拿到國(guó)家補(bǔ)貼奠定基礎(chǔ),也為后期我公司能夠快速開(kāi)發(fā)其它純電動(dòng)車型提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。
以市場(chǎng)為導(dǎo)向,在我公司現(xiàn)有車型平臺(tái)基礎(chǔ)上,確定了整車基本參數(shù)以及整車動(dòng)力性能設(shè)計(jì)指標(biāo)分別如表1、表2所示。
表1 整車基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of the whole vehicle
表2 動(dòng)力性能設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.2 Dynamic performance design index
驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)匹配要滿足整車的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能要求,主要計(jì)算參數(shù)包括額定功率、峰值功率、額定轉(zhuǎn)速、峰值轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、峰值轉(zhuǎn)矩等[3]。
1.2.1 電機(jī)額定功率/峰值功率的計(jì)算
(1)按照30 min最高車速85 km/h計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率,計(jì)算公式如下:
式中:Pe——電機(jī)額定功率,kW;Umax——最高車速,km/h;m——車輛質(zhì)量,kg;g ——重力加速度,m/s2;f ——滾動(dòng)阻力系數(shù);CD——空氣阻力系數(shù);A——迎風(fēng)面積,m2;ηT——傳動(dòng)系統(tǒng)效率。
代入數(shù)值,計(jì)算得 Pe=33.70 kW。
(2)按照1 km最高車速90 km/h計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率,計(jì)算公式如下:
式中:Pmax——電機(jī)峰值功率,kW。
代入數(shù)值,計(jì)算得 Pmax=38.28 kW。
(3)由最大爬坡度20%車速10 km/h計(jì)算電機(jī)峰值功率,計(jì)算公式如下:
式中:Ff——滾動(dòng)阻力,N;Fi——加速阻力,N;Fw——空氣阻力,N。
代入數(shù)值,計(jì)算得 Pmax=22.36 kW。
(4)加速工況下確定電機(jī)的峰值功率
由0~30 km/h加速時(shí)間3 s,按最大總質(zhì)量計(jì)算電機(jī)峰值功率。
0~30 km/h時(shí),時(shí)速不大,全力加速時(shí)以加速阻力為主,忽略滾動(dòng)阻力和空氣質(zhì)量,加速過(guò)程中,電機(jī)輸出的功率全部轉(zhuǎn)換為汽車動(dòng)能為
式中:δ——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。
加速時(shí)間為3 s,平均功率為
由30~50 km/h加速時(shí)間3 s,按最大總質(zhì)量計(jì)算電機(jī)峰值功率。
30~50 km/h時(shí),時(shí)速不大,全力加速時(shí)以加速阻力為主,忽略滾動(dòng)阻力和空氣質(zhì)量,加速過(guò)程中,電機(jī)輸出的功率全部轉(zhuǎn)換為汽車動(dòng)能為
加速時(shí)間為3 s,平均功率為
此狀態(tài)下,電機(jī)的峰值功率Pmax一定要大于平均功率。
電機(jī)特性在低速時(shí)呈現(xiàn)出近似恒轉(zhuǎn)矩特性,運(yùn)用恒轉(zhuǎn)矩估算功率。汽車在0~30 km/h,30~50 km/h加速過(guò)程中的平均加速度。
恒轉(zhuǎn)矩特性時(shí),轉(zhuǎn)速(車速)越高,功率越大。以加速度末的30 km/h,50 km/h計(jì)算此時(shí)的功率
此狀態(tài)下計(jì)算的加速功率Pj,比較保守;電機(jī)峰值功率Pmax應(yīng)分別介于之間,可以取兩者算術(shù)平均值較大值約為70.1 kW,作為電機(jī)峰值功率的初選值。
選擇電機(jī)功率時(shí),30 min最高車速85 km/h是一種實(shí)際中可以接近使用的工況,計(jì)算功率應(yīng)該是作為持續(xù)功率,分別按1 km最高車速90 km/h計(jì)算、最大爬坡度20%計(jì)算、加速工況計(jì)算的功率作為峰值功率,選取電機(jī)的峰值功率。因此,該車型匹配電機(jī)的持續(xù)功率不小于34.45 kW,峰值功率不小于70.1 kW[4]。
1.2.2 峰值轉(zhuǎn)速的計(jì)算
按照整車性能參數(shù)表中的常規(guī)車速確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速,以最高車速確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速,計(jì)算公式如下
式中:ig——主減速器速比;i0——變速箱速比;nmaxv——電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速,r/min;r ——輪胎半徑,m。
考慮電機(jī)的溫升、壽命、安全等因素,車輛行駛過(guò)程中應(yīng)避免電機(jī)運(yùn)行在最高轉(zhuǎn)速點(diǎn),根據(jù)行業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),預(yù)留10%的設(shè)計(jì)余量,則電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速為
1.2.3 峰值轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
按照車輛起動(dòng)的轉(zhuǎn)矩和最大爬坡轉(zhuǎn)矩,結(jié)合車輛的變速比來(lái)確定,計(jì)算公式如下:
式中:Tmax——電機(jī)峰值扭矩,N·m。
代入數(shù)值,計(jì)算得Tmax=181.8 N·m。
滿足最大爬坡度要求的電機(jī)轉(zhuǎn)矩不小于181.8 N·m。
結(jié)合南京越博動(dòng)力系統(tǒng)股份有限公司現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)強(qiáng)檢報(bào)告產(chǎn)品(TZ200XS-YBM417),選取的驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表3。
表3 匹配選取的電機(jī)參數(shù)Tab.3 Matching selected motor parameters
基于AVL-Cruise軟件,建立如圖1所示的純電動(dòng)物流車模型,該模型主要包括車輪模型、主減速器模型、變速箱模型、制動(dòng)器模型、電動(dòng)機(jī)模型、動(dòng)力電池模型和駕駛員模型等[5]。
圖1 整車仿真模型Fig.1 Vehicle simulation model
在整車模型搭建完成之后,建立模塊之間的物理連接與信號(hào)連接,最后,依據(jù)該車型的實(shí)際參數(shù)設(shè)置修改Cruise模塊的參數(shù)。其中,動(dòng)力電池模塊根據(jù)我公司經(jīng)驗(yàn)值,前期選取江蘇明美新能源科技有限公司一款三元鋰PEB4BO22M產(chǎn)品(135 A·h,380.64 V,51.386 kW·h),后期會(huì)輸入其他不同電池廠家的產(chǎn)品參數(shù),再進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性仿真。
2.2.1 最高車速仿真驗(yàn)證
在Cruise軟件Task Folder中,建立Constant Drive-Maximum Velocity without slip任務(wù),進(jìn)行最高車速仿真。從Result Manager/results.log中查看仿真結(jié)果,最高車速為102.41 km/h,如圖2所示。根據(jù)理論計(jì)算(同時(shí)滿足電機(jī)最大功率和最大轉(zhuǎn)速),最高車速為102.409 km/h,理論計(jì)算與仿真數(shù)據(jù)完全一致。
圖2 最高車速仿真數(shù)據(jù)Fig.2 Simulation data of maximum speed
2.2.2 加速性仿真驗(yàn)證
建立Full Load Acceleration仿真任務(wù),計(jì)算0~30 km/h,30~50 km/h加速時(shí)間分別為3.0 s,2.2 s,加速時(shí)間仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。根據(jù)加速度計(jì)算公式,電機(jī)的功率完全用在加速性能上,可計(jì)算出0~30 km/h,30~50 km/h加速時(shí)間分別為2.75 s,2.40 s,仿真計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算分別相差0.25,0.20 s,誤差分別為8.33%和9.09%,均在可接受范圍內(nèi)。
圖3 0~30 km/h加速時(shí)間仿真曲線Fig.3 Acceleration time simulation curve of 0~30 km/h
圖4 30~50km/h加速時(shí)間仿真曲線Fig.4 Simulation curve of 30~50 km/h acceleration time
2.2.3 最大爬坡度仿真驗(yàn)證
建立Climbing Performance任務(wù)來(lái)計(jì)算最大滿載最大爬坡度,仿真得到最大爬坡度曲線如圖5所示。速度為10 km/h時(shí),爬坡度為19.22%,理論計(jì)算值為19.24%,數(shù)值幾乎相等。
圖5 最大爬坡度仿真曲線Fig.5 Simulation curve of maximum gradient
經(jīng)過(guò)動(dòng)力仿真數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)值相比較,驗(yàn)證了仿真數(shù)模的正確性。
通過(guò)AVL-Cruise軟件搭建了我公司一款純電動(dòng)物流車模型,并進(jìn)行動(dòng)力性仿真驗(yàn)證,驗(yàn)證了仿真模型的正確性,為后期利用該模型仿真整車經(jīng)濟(jì)性奠定了基礎(chǔ),也為后期開(kāi)發(fā)可以拿到國(guó)家補(bǔ)貼的電動(dòng)車型、縮短車型開(kāi)發(fā)周期提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。