煤礦純電動(dòng)車(chē)動(dòng)力匹配與仿真

楊志軍，楊世文，任志勇

（1.中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

煤礦純電動(dòng)車(chē)動(dòng)力匹配與仿真

楊志軍1，楊世文1，任志勇2

（1.中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

針對(duì)煤礦下純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配展開(kāi)建模與仿真的研究工作，爬坡性和續(xù)駛里程是礦下車(chē)輛最基本、最重要的性能。對(duì)民用車(chē)進(jìn)行改裝，沿用其主減速器，并匹配二級(jí)變速器。利用Cruise仿真平臺(tái)搭建純電動(dòng)汽車(chē)模型并在實(shí)際路況下進(jìn)行仿真分析，與實(shí)車(chē)試驗(yàn)相對(duì)比，驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。

純電動(dòng)車(chē)；Cruise；參數(shù)匹配；仿真

CLC NO.: U462.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-97-04

引言

為了緩解礦下機(jī)動(dòng)車(chē)排放引起的井下環(huán)境污染問(wèn)題和日益嚴(yán)重的能源短缺問(wèn)題，迫切需要發(fā)展礦下純電動(dòng)汽車(chē)。相比于柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車(chē)，純電動(dòng)車(chē)有零排放，噪聲小，能耗低且不消耗井下的氧氣等優(yōu)點(diǎn)。

目前動(dòng)力系統(tǒng)的匹配、調(diào)試時(shí)間較長(zhǎng)，給研究工作帶來(lái)很大的不便。而通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)的匹配計(jì)算可以為研發(fā)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)提供實(shí)際工況的仿真分析，能夠很好的預(yù)測(cè)各種條件下的系統(tǒng)性能，從而可以在樣車(chē)制作之前調(diào)整設(shè)計(jì)方案，合理的優(yōu)化參數(shù)，降低研發(fā)費(fèi)用，縮短研發(fā)周期[1]。本文依托某煤礦純電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)項(xiàng)目，對(duì)其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)、變速器、電池等參數(shù)進(jìn)行匹配，利用cruise仿真平臺(tái)建立礦下純電動(dòng)汽車(chē)模型并進(jìn)行仿真研究。

1、總體方案設(shè)計(jì)

通過(guò)改裝一款民用車(chē)，將傳動(dòng)系統(tǒng)置換為電傳動(dòng)系統(tǒng)，將其改造成一款蓄電池前置，電動(dòng)機(jī)后置的純電動(dòng)汽車(chē)。改裝后的汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)以電控單元為控制核心，以蓄電池、充電系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)作為能源子系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)、變速器、主減速器以及差速器為驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)，兩根半軸連接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。考慮到礦下的道路條件和使用要求，為了提高爬坡性能，該結(jié)構(gòu)保留了離合器和變速器。電動(dòng)汽車(chē)的總體布置如圖1所示：

2、電機(jī)、傳動(dòng)比和電池模型

2.1 電機(jī)模型[2]

選擇電機(jī)的額定功率時(shí)，應(yīng)保證電動(dòng)汽車(chē)以預(yù)期最高車(chē)速行駛時(shí)消耗的功率不大于電機(jī)的額定功率，計(jì)算額定功率的模型為：

電動(dòng)汽車(chē)以某一速度v爬上一定坡度所消耗的功率應(yīng)小于所選電機(jī)的最大功率，即：

F為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；Af為迎風(fēng)面積，m2；i為爬坡度；為傳動(dòng)系統(tǒng)效率。

電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩模型：

2.2 傳動(dòng)系速比模型

傳動(dòng)系速比必須滿(mǎn)足最大車(chē)速的需求和最大爬坡度的需求：

車(chē)輛沿直線(xiàn)方向行駛時(shí)，車(chē)輛行駛動(dòng)力學(xué)模型為[3]：

式中Ft為驅(qū)動(dòng)力，N；Ff為滾動(dòng)阻力，N；Fi為坡度阻力，N；Fw為空氣阻力，N；Fj為加速阻力，N。

由轉(zhuǎn)矩和行駛阻力矩平衡圖確定最高車(chē)速時(shí)的傳動(dòng)比，如圖2所示：

2.3 動(dòng)力電池模型

電池參數(shù)的選擇主要考慮續(xù)駛里程的需求，由續(xù)駛里程得到的電池參數(shù)的模型：

式中，S為電動(dòng)汽車(chē)的最大續(xù)駛里程，km；P為汽車(chē)行駛時(shí)的功率，kw；t為目標(biāo)行駛里程所需時(shí)間，s。

3、設(shè)計(jì)和仿真實(shí)例

3.1 整車(chē)主要技術(shù)參數(shù)

在建立車(chē)輛模型前需要確定整車(chē)性能需求，并以此為目標(biāo)參照設(shè)計(jì)計(jì)算整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)：

表1 整車(chē)性能需求

表2 電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)及電池參數(shù)

由于礦下坡道距離較長(zhǎng)，幾百米的長(zhǎng)距離坡道很多，并且要求礦下機(jī)動(dòng)車(chē)能爬14°的坡道，而且由于礦下路面不做硬化處理，滾動(dòng)阻力系數(shù)較大[4]，對(duì)車(chē)輛的動(dòng)力性和續(xù)駛里程性能提出了更高的要求，所以保留二級(jí)變速器來(lái)同時(shí)滿(mǎn)足車(chē)輛的爬坡性能與最高速度和續(xù)駛里程的要求。動(dòng)力電池目前用在電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力電池主要有MH-Ni電池、鉛酸電池、鋰離子電池、燃料電池等。近兩年鋰離子電池是動(dòng)力電池的主要發(fā)展熱點(diǎn)，與其他幾種動(dòng)力電池相比，具有更高的比能量和比功率，壽命長(zhǎng)且環(huán)保[5]。因此本文選擇用磷酸鐵鋰蓄電池作為電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力電池。根據(jù)所給的設(shè)計(jì)要求，計(jì)算得出電機(jī)參數(shù)、傳動(dòng)比和蓄電池參數(shù)如表2所示。

3.2 模型的建立

Cruise軟件是用于計(jì)算車(chē)輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)與排放的專(zhuān)業(yè)仿真軟件，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了商品化。該軟件采用可視的模塊化建模，可以仿真內(nèi)燃機(jī)、純電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)。Cruise可以計(jì)算不同行駛工況下的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、加速特性、燃油經(jīng)濟(jì)性、爬坡性能、整車(chē)制動(dòng)性能，還可用于集中載荷計(jì)算和傳動(dòng)系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算[6]。

根據(jù)前面所設(shè)計(jì)的參數(shù)在Cruise中對(duì)礦下純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行整車(chē)建模，需要設(shè)置車(chē)輛的原始數(shù)據(jù)，各個(gè)模塊的具體參數(shù)，機(jī)械傳遞用藍(lán)色線(xiàn)條連接，電路關(guān)系用紅線(xiàn)連接，并且將總線(xiàn)上的控制信號(hào)進(jìn)行分配，整車(chē)模型如下：

3.3 仿真結(jié)果與分析

模型建立好之后，設(shè)定不同的仿真任務(wù)，包括最高行駛速度、最大爬坡度、等速行駛的續(xù)駛里程和實(shí)際工況下的續(xù)駛里程。對(duì)整車(chē)進(jìn)行性能仿真，下圖為最大爬坡度的仿真結(jié)果：

從圖中可以看到，車(chē)速在4km/h-16km/h時(shí)，滿(mǎn)載最大爬坡度為26.6%，設(shè)計(jì)要求的滿(mǎn)載最大爬坡度為25%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

最高車(chē)速仿真結(jié)果：

如圖中所示，最高車(chē)速達(dá)到46.5km/h，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

在水平路面以30km/h的速度勻速行駛工況時(shí)，仿真最大續(xù)駛里程，結(jié)果如下圖：

從上圖的仿真結(jié)果可知，勻速行駛工況最大續(xù)駛里程為78.9km，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

由于煤礦巷道實(shí)際路況是有上坡下坡和水平路面，為了使仿真結(jié)果更加接近實(shí)際，本文根據(jù)某礦井實(shí)際路況來(lái)設(shè)計(jì)路況模型，三種路況各占總路程的1/3，上坡角度為7°，路況模型如下圖：

實(shí)際工況下續(xù)駛里程仿真結(jié)果為：

可以看到實(shí)際路況時(shí)，續(xù)駛里程為50.5km，而礦井的實(shí)際長(zhǎng)度為20km，來(lái)回為40km，滿(mǎn)足工程實(shí)際需求。

道路試驗(yàn)結(jié)果：

經(jīng)第三方道路實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證，該車(chē)滿(mǎn)足滿(mǎn)載最大爬坡度為25%的設(shè)計(jì)要求，且最高車(chē)速大于40km/h，續(xù)駛里程達(dá)到78km，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，且驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。

4、結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)Cruise軟件對(duì)整車(chē)進(jìn)行建模與仿真，且經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)驗(yàn)證，結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（2）利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)車(chē)型的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)早期起到預(yù)測(cè)調(diào)整的作用，減少實(shí)車(chē)試驗(yàn)次數(shù)，降低成本并縮短研發(fā)周期。

（3）Cruise軟件為汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)完善而強(qiáng)大的系統(tǒng)分析環(huán)境，仿真結(jié)果簡(jiǎn)單易讀，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]周旭．礦用純電動(dòng)輕型防爆膠輪車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配[J]．礦山機(jī)械，2014,42（1）:21-24．

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從測(cè)試波形（如圖21所示）可以看出，CAN-H和CAN-L的電壓置于隱性電壓值（大約2.5V），且兩組線(xiàn)上的電壓基本重合，插拔驅(qū)動(dòng)CAN總線(xiàn)上的控制單元可以判斷是制單元引起的短路還是CAN-H和CAN-L線(xiàn)路互短引起的短路。若為線(xiàn)路短路引起的短路，則需將CAN線(xiàn)組（CAN-H和CAN-L）從節(jié)點(diǎn)處依次拔出，同時(shí)注意波形的變化，當(dāng)故障線(xiàn)組被取下后，波形回復(fù)正常，驅(qū)動(dòng)CAN-H與驅(qū)動(dòng)CAN-L互相短路示意圖如圖22所示。

4、結(jié)束語(yǔ)

隨著汽車(chē)技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車(chē)CAN總線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，作為汽車(chē)維修人員必須深入掌握汽車(chē)CAN總線(xiàn)技術(shù)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、故障特點(diǎn)及診斷排除方法，而本文總結(jié)車(chē)載CAN總線(xiàn)系統(tǒng)故障波形診斷流程，以及利用不同故障具有不同信號(hào)波形的特性，可以直接將實(shí)測(cè)波形與事先測(cè)試記錄號(hào)的典型波形圖做直觀比較，可在較短的時(shí)間內(nèi)查找到出現(xiàn)故障的原因，并及時(shí)確定故障點(diǎn)進(jìn)行故障排除，體現(xiàn)出了較高的可靠性及排查效率。

參考文獻(xiàn)

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Matching of power and simulation of Electric Vehicles used in coal mines

Yang Zhijun1, Yang Shiwen1, Ren Zhiyong2
(1.School of Mechanical and Power Engineering, North University of China, Shanxi Taiyuan 030051; 2.CCTEG Taiyuan Research Institute, Shanxi Taiyuan 030006)

Research work of modeling and simulation of powertrain parameters was done for electric vehicles used in coal mines. Climbing performance and cruising range are the most basic and the most important performance. Modification is made on a civil car, the final drive is retained and transmission is matched. This paper builds electric vehicle model based on Cruise and makes a simulation in the actual road conditions. The correctness of simulation is demonstrated after compare with real vehicle test.

Electric Vehicle；Cruise；Parameter matching；Simulation

U462.3

A

1671-7988(2015)04-97-04

楊志軍，碩士研究生，就讀于中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，研究方向車(chē)輛電子與信息技術(shù)。