微型電動自卸車動力傳動系統設計匹配與仿真研究

摘 要：以微型電動自卸車為研究對象，根據微型電動自卸車的動力性設計目標要求，對其動力系統部件主要包括驅動電機、傳動系統和動力電池進行了設計匹配選型。采用混合仿真的方法，利用ADVISOR（Advanced Vehicle Simulator）對該微型電動自卸車電機、電池及整車模型文件進行建立，再對其在循環工況下的動力性經濟性進行仿真分析，其仿真結果表明，該微型電動自卸車的動力性和經濟性與動力性設計要求完全吻合，即動力系統部件匹配合理。

關鍵詞：微型電動自卸車；動力性經濟性；設計匹配；仿真；ADVISOR

隨著現代社會的迅速發展，汽車已經成為人們出行主要的交通運輸工具，越來越多的汽車給人們帶來一定的便捷，但如今的建筑行業，中小型建筑工程項目的施工場地內的短途建筑材料運輸依然依靠人力來完成，建筑工地上沒事沒課都有種種建筑材料需要移動或者使用，由于受到其運輸空間和復雜的運輸通道限制，使其運輸方式完全靠“人拉扯”的形式來運輸。這種“人拉扯”的運送建筑材料的方式至少需要1-2個人用強體力拉動，裝卸搬運繁瑣，勞動強度過大，消耗時間過長，往往由于運輸速度跟不上，影響整個建筑工程任務的完成時間。因此，微型運輸自卸車的研制得到全國建筑行業的關注。然而，又由于當今能源困乏、環境污染等一些不容忽視的全球問題和建筑施工場地內的噪音污染給人們帶來的不適，對于一種環保節能零排放的微型電動自卸車而言，它的發展得到全世界的關注。文章針對正在研發中的微型電動自卸車的動力系統進行了設計匹配，根據匹配結果利用ADVISOR搭建該微型電動自卸車各動力系統部件的仿真模型，再結合微型電動自卸車的工作工況進行整車在循環工況下的動力性與經濟性仿真，并將其仿真結果和動力性設計目標進行對比分析，確定動力系統設計匹配是否合理可行。

2 動力傳動系統設計匹配

在CATIA中對所設計的微型電動自卸車進行了外形尺寸的結構設計，如圖1所示為微型電動自卸車的三維模型。

整車性能指標如表2所示。

2.1 驅動電機參數匹配選型

微型電動自卸車驅動電機作為整車的動力源，因此驅動電機的匹配主要是功率、轉速、扭矩的計算。

2.1.1 驅動電機功率的確定

根據汽車行駛功率平衡方程：

當微型電動自卸車在平直路面上行駛最高車速時ua=umax，其爬坡阻力和加速阻力為0，所以

驅動電機最大功率不得小于汽車在最大爬坡工況下電機的功率和在全力加速要求下的車輛需求功率。

在最大爬坡工況下電機的功率

由公式（1）可知，當汽車在最大爬坡i=15%工況下行駛時，ua=10km/h勻速；加速度為0；加速阻力為0，所以

在全力加速情況下電機的功率

根據公式（1）假設車輛在平直路面上全力加速，其坡道阻力為0，所以

2.1.2 驅動電機轉速的確定

電機的額定轉速與峰值轉速往往存在一定關系，一般由系數？茁來表示。微型電動自卸車以直接當行駛時，電機的轉速即為額定轉速；以最高檔、最高車速行駛時，電機的轉速為峰值轉速。

由于該微型電動自卸車對速度要求不高，所以考慮電機工作高效區的性質，選取6000r/min以下的低速電機。

2.1.3 驅動電機轉矩的確定

微型電動自卸車驅動電機的最大轉矩既要保證其加速性能又要滿足最大爬坡度的要求。因此：

綜合上述分析，文章選擇的電機型號為YD160L-4-9驅動電機，其參數見表3。

2.2 傳動系統參數設計

2.2.1 最小傳動比的確定

傳動系最小傳動比imin是由電機的最高轉速和微型電動自卸車的最高車速決定的。若是單速傳動imin=i0，i0為主減速器速比；若是多速傳動imin=i0ig，ig是變速器最高檔速比。

由于主減速器的速比選擇在4.9～6.5之間，因此兩種變速機構都可以滿足微型電動自卸車最高車速的要求。

2.2.2 傳動系最大傳動比的確定

傳動系最大傳動比imax是由電機的峰值轉矩和自卸車的最大爬坡度決定的。若是單速傳動imax=i0；若是多速傳動imax=i0ig。

由此可見，單純靠主減速器進行調速滿足不了微型電動自卸車整車的爬坡性能，必須增加額外的變速機構。因此文章采用多速傳動作為微型電動自卸車的傳動形式。

微型電動自卸車在換擋過程中，必須保證前一擋所能達到的最高車速大于等于后一擋電機在基速區時的車速，這樣就保證了整車行駛的平順性和動力輸出的連續性，其關系如圖2所示。

由此可見微型電動自卸車的檔位數最少有2個，但為了避免使傳動系統的結構過于復雜，確定選擇兩檔變速器作為最終的變速方案。

綜上所述，最終確定微型電動自卸車的傳動系統參數如表4所示。

2.3 動力電池的匹配

2.3.1 電池組電壓的選擇

根據所選YD160L-4-9電機控制器的額定電壓300V-600V，確定動力電池組電壓為300V，由于電池單體電壓為3.2V，所以需要94串聯單體。

2.3.2 電池容量的確定

該微型電動自卸車滿載以10km/h的速度勻速行駛時的功率P0 可由公式（1）計算得到。

根據設計目標要求微型電動自卸車滿載時以10km/h的速度在平直公路上勻速行駛的距離可長達150km，可得到車輛在勻速行駛過程中所需的能量：

微型電動自卸車在運行時，耗電附件也消耗了大量的能量，該部分約占總能量的10%；由于電池管理系統（BMS）對電池起保護作用，在SOC低于20%時禁止放電；另外驅動電機的機械效率約為85%。因此電池所需的總電量為：

3 整車動力性經濟性仿真分析

ADVISOR建模：

根據整車技術參數、驅動電機參數、傳動系參數和動力電池參數對Vhicle、Motor、Transmission、Energy Storage模塊模型文件進行編輯和調用，進一步建立動力系統部件及整車仿真模型，如圖3～7所示。

由于電動微型運輸自卸運行過程中實際工況的復雜性，仿真循環工況以我國汽車典型測試工況CYC_UDDS作為模型輸入，電動微型運輸自卸車仿真循環工況如圖8所示。

文章對電動微型運輸自卸車的動力性仿真，主要包括其最高車速、最大爬坡度和加速性能的仿真計算；經濟性仿真主要是工況下的續駛里程。如圖9為其動力性經濟性仿真結果、表6為動力性經濟性仿真結果與設計指標的對比。

在電動微型運輸自卸車行駛過程中由于工況的復雜性，車速很難維持在一個相對穩定的速度上，如圖10、11、12、13、14別為跟隨車速的變化曲線和電機、電池的狀態曲線以及效率圖。

通過分析仿真結果可以看出當車輛加速行駛時，電機扭力正向增加通過傳動系統驅動車輪，此時電流增大；當車輛減速制動時，車輪帶動電機進入發電狀態，此時電機的驅動轉矩為負，即車輛進入能量回收階段，向動力電池輸入電能。由仿真結果可以看出對于該電動微型運輸自卸車動力系統部件的匹配情況滿足動力性要求和工況要求并且車輛行駛穩定。

4 結束語

文章針對微型電動自卸車動力傳動系統設計問題進行研究，首先根據微型電動自卸車整車技術參數和設計目標對整車動力傳動系統部件包括驅動電機、主減速、變速器和動力電池進行設計匹配，根據匹配結果對相應部件進行選型，為了驗證匹配結果的正確性，進而基于ADVISOR建立了整車動力性經濟性仿真模型，仿真結果完全符合整車設計指標要求，且滿足循環工況要求，行駛穩定，為進一步優化動力性經濟性提供參考，為企業研制微型電動自卸車提供可靠的理論依據。

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