作者:趙暢,朱春紅?
本文以某純電動(dòng)汽車(chē)作為研究對(duì)象,依據(jù)整車(chē)設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)其動(dòng)力總成系統(tǒng)進(jìn)行選型匹配,并利用Cruise軟件進(jìn)行整車(chē)仿真模型的建立及仿真分析,驗(yàn)證選型匹配方案的合理性。
1 動(dòng)力總成系統(tǒng)選型匹配計(jì)算?
純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力總成系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、傳動(dòng)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構(gòu)成。其動(dòng)力總成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖1所示。
為了對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)進(jìn)行選型及匹配,應(yīng)明確整車(chē)參數(shù)及所要求的性能指標(biāo)。整車(chē)參數(shù)及性能指標(biāo)如表1-2所示。
1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型計(jì)算
1.1.1最高轉(zhuǎn)速及基速
最高車(chē)速可由以下公式計(jì)算得出:
?(1)
圖1 純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
可得到電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為nmax=2274.04r/min;電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的關(guān)系可用擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β來(lái)表示,根據(jù)關(guān)系式可得電機(jī)的基速n0:
?(2)
因此,取最高轉(zhuǎn)速和基速分別為2500 r/min和780r/min。
表1 純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)參數(shù)
表2 整車(chē)性能指標(biāo)
1.1.2功率匹配
對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)峰值功率需求主要考量最高車(chē)速、某一車(chē)速下滿足最大爬坡度以及原地起步加速時(shí)分別對(duì)應(yīng)的峰值功率需求。
(1)當(dāng)車(chē)輛滿載且運(yùn)行在平坦路面時(shí),計(jì)算其最高車(chē)速所對(duì)應(yīng)的電機(jī)峰值功率需求:
?(3)
式中:
Pm1——驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率需求(kW);
vmax——最高車(chē)速(km/h);
ηt——傳動(dòng)系統(tǒng)效率;
g——重力加速度,g=9.8 m/s2。
(2)在某一車(chē)速下滿足最大爬坡度要求時(shí)所需的功率:
?(4)
式中:
αmax——最大坡度角(°);
vp——爬坡時(shí)的車(chē)速,這里取vp=20km/h。
(3)純電動(dòng)汽車(chē)在從0到50km/h時(shí)電機(jī)所需要的峰值功率可由公式(5)得到:
?(5)
式中:
v——加速過(guò)程中的實(shí)時(shí)車(chē)速;
δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)。
公式的第一二項(xiàng)分別代表純電動(dòng)汽車(chē)克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力時(shí)所需要的平均功率,第三項(xiàng)代表反映車(chē)輛加速性的功率需求。
綜合考慮純電動(dòng)汽車(chē)滿足最高車(chē)速、最大爬坡度和加速等各種情況下的功率需求,得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率的要求,驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率為:
?(6)
根據(jù)現(xiàn)有平臺(tái)資源,取峰值功率為160kw,額定功率為100kw。
1.1.3轉(zhuǎn)矩確定
根據(jù)電機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速可以得到電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩,計(jì)算公式為:
?(7)
式中,T0表示驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩(N·m),則驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩是:
?(8)
式中:
Tmax為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩(N·m);
λp為電機(jī)的過(guò)載系數(shù),常取3~4。
經(jīng)過(guò)以上分析,選定驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù),見(jiàn)表3。
表3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)
1.2 動(dòng)力電池組選型計(jì)算
動(dòng)力電池組的最大輸出功率應(yīng)滿足整車(chē)驅(qū)動(dòng)及附件所需,計(jì)算公式如下:
?(9)
式中:
Pbmax——?jiǎng)恿﹄姵亟M最大輸出功率;
Pmmax——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大輸出功率;
Pas——車(chē)輛電動(dòng)附件部分的平均功率;
ηm——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率,取0.96;
ηme——?jiǎng)恿﹄姵亟M放電效率,取0.95。
由上述公式計(jì)算得到,動(dòng)力電池組所需輸出的最大功率為239.97 kW。
另外,整車(chē)?yán)m(xù)駛里程是評(píng)價(jià)純電動(dòng)汽車(chē)的一大重要指標(biāo),純電動(dòng)汽車(chē)所配備的電池組容量越大,續(xù)駛里程越長(zhǎng)。然而大容量的電池組會(huì)影響整車(chē)的整備質(zhì)量,增加整車(chē)電池包成本。所以應(yīng)該合理匹配整車(chē)動(dòng)力電池組容量,從而提升整車(chē)性能。
電池組電壓取537.6V,采用等速法(40km/h)并利用續(xù)駛里程設(shè)計(jì)目標(biāo)值對(duì)電池容量進(jìn)行反向計(jì)算。具體計(jì)算方法如下:
已知續(xù)駛里程設(shè)計(jì)目標(biāo)值D=160km,整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)效率ηT,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率ηe,動(dòng)力電池組放電深度ηb,動(dòng)力電池組總?cè)萘縀(kWh),該純電動(dòng)汽車(chē)在40km/h滿載穩(wěn)定行駛時(shí)輸出功率為P40=20.83(kW),根據(jù)能量守恒定律,可得到如下計(jì)算公式:
?(10)
則電池的容量為:
?(11)
代入各項(xiàng)數(shù)據(jù),由上式計(jì)算得,電池組總?cè)萘縀 =102.62 kWh,根據(jù)現(xiàn)有資源選取儲(chǔ)能裝置總儲(chǔ)電量為115.92 kWh。
2 模型建立及仿真分析?
2.1 仿真模型建立
本文采用Cruise軟件進(jìn)行整車(chē)仿真模型的建立,靈活的模塊化理念使得Cruise可以對(duì)任意結(jié)構(gòu)形式的汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真,同時(shí)完善的算法程序保證了較快的運(yùn)算速度和計(jì)算精度。
依據(jù)純電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力的傳輸路線可以建立車(chē)輛的仿真模型,并輸入各部件所需的參數(shù),如圖2所示。
圖2 純電動(dòng)車(chē)仿真模型
2.2 性能仿真分析
2.2.1整車(chē)動(dòng)力性分析
純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)為最高車(chē)速,某一車(chē)速下的最大爬坡度和起步加速時(shí)間。
(1)整車(chē)最高車(chē)速及加速時(shí)間分析
利用Cruise計(jì)算任務(wù)中的全負(fù)荷加速性能任務(wù)計(jì)算了純電動(dòng)汽車(chē)在加速過(guò)程中的最高車(chē)速和加速時(shí)間。如圖3所示。
圖3 加速過(guò)程中車(chē)速、加速度與距離的關(guān)系圖
由圖中可以得到純電動(dòng)汽車(chē)最高車(chē)速可達(dá)到73 km/h,符合設(shè)計(jì)目標(biāo)值。同時(shí),由圖可得到該純電動(dòng)汽車(chē)從靜止加速到50 km/h的加速時(shí)間為14.12s,小于設(shè)計(jì)的目標(biāo)值18s,故滿足要求。
(2)最大爬坡度分析
盡管在市區(qū)路況下不存在如同鄉(xiāng)村公路那樣非常極端的陡坡,但是隨著城市化水平的提高,交通基礎(chǔ)建設(shè)的拓展,市民對(duì)高架橋以及室內(nèi)環(huán)線或高速的依賴(lài)性增強(qiáng),因此即使是在城市中也必不可少的存在高架橋的上下坡,而此時(shí)則必須考慮車(chē)輛的爬坡性能。設(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)致爬坡能力的不足會(huì)對(duì)交通線的暢通帶來(lái)不必要的麻煩,并且也潛在溜車(chē)等交通事故的發(fā)生。因此,檢驗(yàn)車(chē)輛的最大爬坡度是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。
圖4 各車(chē)速下純電動(dòng)客車(chē)的爬坡度
圖4顯示了各個(gè)車(chē)速下純電動(dòng)汽車(chē)的爬坡能力,我們可以得出,當(dāng)車(chē)速為20 km/h時(shí),最大爬坡度為19.34%,滿足設(shè)計(jì)的性能要求。
2.2.2整車(chē)經(jīng)濟(jì)性分析
純電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)為續(xù)駛里程和電耗。本文分別以40km/h等速和CCBC兩種工況條件對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行仿真分析,計(jì)算兩種工況下的百公里能耗和續(xù)駛里程。
(1)40km/h等速工況下的百公里能耗和續(xù)駛里程分析
圖5反映了在40km/h等速行駛工況下電池SOC值與行駛距離的關(guān)系。經(jīng)計(jì)算,在動(dòng)力電池組放電深度為85%的條件下,40km/h等速工況百公里能耗為54.61kwh/100km,續(xù)駛里程值大于設(shè)計(jì)的目標(biāo)值160km,滿足設(shè)計(jì)要求。
圖5 40km/h等速行駛工況下電池SOC值與行駛距離的關(guān)系圖
(2)CCBC工況能耗分析
中國(guó)典型城市公交循環(huán)即CCBC工況對(duì)于城市客車(chē)的能耗分析具有深刻意義,其車(chē)速和時(shí)間關(guān)系如圖所示。
圖6 CCBC行駛工況
一個(gè)CCBC行駛工況的總時(shí)間為1314s,運(yùn)行距離5.8km。在一個(gè)行駛工況時(shí)間內(nèi),電池的SOC值及消耗電量如下圖7-8所示。
圖7 CCBC行駛工況下電池SOC值變化圖
圖8 CCBC行駛工況下能耗值變化圖
圖9 多個(gè)CCBC行駛工況循環(huán)下能耗與電池SOC值變化圖
圖9為多個(gè)CCBC行駛工況循環(huán)下,電池SOC值變化量、距離和能耗的關(guān)系圖。經(jīng)綜合計(jì)算,CCBC工況下的百公里能耗為73.83 kwh/100km,能耗小于要求的81 kwh/ 100km,續(xù)駛里程達(dá)到123km,符合設(shè)計(jì)要求。
3 仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析?
為了驗(yàn)證動(dòng)力總成系統(tǒng)參數(shù)匹配的正確性及仿真模型的合理性,對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行了動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)。將樣車(chē)的實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如表4及表5所示。
表4 動(dòng)力性實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比
表5 動(dòng)力性實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比
通過(guò)仿真與實(shí)測(cè)值對(duì)比表可發(fā)現(xiàn)仿真與實(shí)測(cè)值相差不大,誤差值在可接受范圍內(nèi)。
?
4 結(jié)論?
本文以某純電動(dòng)汽車(chē)作為研究對(duì)象,首先進(jìn)行了動(dòng)力總成系統(tǒng)的選型匹配計(jì)算,并利用Cruise軟件進(jìn)行了整車(chē)仿真模型的建立?;诜抡婺P瓦M(jìn)行了動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算分析。結(jié)果表明,整車(chē)參數(shù)匹配結(jié)果合理且模型具有較高的正確性,為后續(xù)的開(kāi)發(fā)優(yōu)化奠定了良好的基礎(chǔ)。
編輯:黃飛
?
評(píng)論
查看更多