某小型電動(dòng)清掃車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析研究

白剛

摘 要：文章根據(jù)一項(xiàng)研究課題對(duì)設(shè)計(jì)的一種小型電動(dòng)清掃車的動(dòng)力性進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，對(duì)電動(dòng)機(jī)以及電池參數(shù)進(jìn)行了理論匹配設(shè)計(jì)，然后采用Advisor汽車動(dòng)力仿真軟件對(duì)其動(dòng)力性進(jìn)行了仿真分析，得到結(jié)果為：UDDS工況下，該電動(dòng)清掃車在負(fù)載200kg的情況下以20km/h可勻速行駛35.5km，結(jié)果說(shuō)明了匹配參數(shù)的合理性，并在此基礎(chǔ)之上，通過(guò)在Advisor中修改參數(shù)的方式做了進(jìn)一步優(yōu)化，結(jié)果表明，通過(guò)減輕整車質(zhì)量，縮減迎風(fēng)面積，減小風(fēng)阻系數(shù)等手段，可提高整車動(dòng)力性能及續(xù)駛里程。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力性；參數(shù)匹配；仿真分析；優(yōu)化

1 概述

電動(dòng)清掃車作為一種新興的道路清掃工具，與傳動(dòng)燃油車相比具有能源來(lái)源廣、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。但其動(dòng)力性、續(xù)駛里程等問(wèn)題制約了其在現(xiàn)實(shí)生活中的推廣[1]。文章針對(duì)這樣的問(wèn)題，對(duì)某一小型電動(dòng)清掃車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，并通過(guò)動(dòng)力仿真軟件對(duì)其動(dòng)力性進(jìn)行仿真分析，并對(duì)相關(guān)的匹配參數(shù)進(jìn)一步的優(yōu)化，得出優(yōu)化結(jié)論，為電動(dòng)清掃車的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究提供一定的理論依據(jù)。

2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的選擇內(nèi)容如下：合適的電動(dòng)機(jī)參數(shù)、傳動(dòng)比和動(dòng)力電池組的容量，目的是達(dá)到電動(dòng)清掃車動(dòng)力性及續(xù)駛里程的要求[2]。

2.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)實(shí)際工況要求，該小型電動(dòng)清掃車動(dòng)力設(shè)計(jì)要求如表1所示：

表1 動(dòng)力性要求

2.2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇

電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)清掃車的主要?jiǎng)恿?lái)源，其功率會(huì)直接影響到整車動(dòng)力性能，大功率電機(jī)的加速性能、最大爬坡度都比較優(yōu)良，但是其體積與質(zhì)量也比較大，對(duì)于小型電動(dòng)清掃車而言，其續(xù)駛里程就會(huì)受到影響[3]。文章選擇直流電機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)源，根據(jù)最高車速確定電機(jī)的最大功率Pmax1；根據(jù)整車以速度vi行駛的最大爬坡度確定Pmax2；根據(jù)加速性能確定Pmax3，動(dòng)力源總功率 Pmax必須要滿足上述三項(xiàng)指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求[4]，即

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率可由峰值功率求得：

（2）

式中λ為過(guò)載系數(shù)。

2.3 傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

汽車傳動(dòng)系主要功能：第一是把驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)矩按總傳動(dòng)比放大，傳送至驅(qū)動(dòng)輪上；第二是把驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速按總傳動(dòng)比縮小，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的車速[5]；設(shè)計(jì)時(shí)要求電動(dòng)機(jī)既能在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提供較高的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，又能在恒功率區(qū)提供較高的運(yùn)行速度[6]。

（1）傳動(dòng)系的總傳動(dòng)比上限。

傳動(dòng)系總傳動(dòng)比上限即最小傳動(dòng)比imin是變速器最高檔速比與主減速器速比的乘積，由電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和電動(dòng)汽車的最高車速?zèng)Q定：

（3）

式中：nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，vmax為最高車速，r為車輪滾動(dòng)半徑。

（2）傳動(dòng)系的總傳動(dòng)比下限。

傳動(dòng)系總傳動(dòng)比上限即最小傳動(dòng)比imax由電動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩和最大爬坡度確定：

（4）

式中：f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，αmax為最大爬坡度，Tmax為最大輸出轉(zhuǎn)矩，η為傳動(dòng)系總效率。

2.4 電池組容量的選擇

在保證電動(dòng)清掃車的動(dòng)力性及續(xù)駛里程的前提下，最大輸出功率和能量是電池組容量最主要考慮因素[7]。當(dāng)今，鋰電池作為最具有發(fā)展前景的電池之一，具有能量密度高，充電效率高，循環(huán)壽命長(zhǎng)且沒(méi)有記憶效應(yīng)等特點(diǎn)，文章選用了磷酸鐵鋰電池組，電池?cái)?shù)目由以下兩種方法確定[8]：

（1）以最大功率選擇

（5）

式中：Pbmax為電池最大輸出功率，ηe為電機(jī)工作功率，ηec為電機(jī)控制器工作功率。

（2）以續(xù)駛里程選擇

（6）

式中：L為續(xù)駛里程，W為行駛1km所消耗的能量，Vi為單電池電壓，Cr為單節(jié)電池額定容量；

2.5 匹配結(jié)果

理論計(jì)算需要的設(shè)計(jì)參數(shù)以及最終確定的匹配參數(shù)如表2所示：

3 仿真模型的建立

advisor在給定的道路循環(huán)條件下利用車輛各部分參數(shù)，能快速地分析傳統(tǒng)汽車、純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及排放性等各種性能[9-10]。文章通過(guò)advisor軟件建立電動(dòng)清掃車汽車模型，對(duì)車輛模塊及動(dòng)力電池模塊進(jìn)行重新修改預(yù)定義，表3為仿真模型參數(shù)。

4 仿真分析

4.1 動(dòng)力性能仿真結(jié)果

圖1為車速隨時(shí)間變化關(guān)系曲線，可以從圖中看出，最大車速為51km/h，其余皆與理論分析結(jié)果吻合，符合設(shè)計(jì)要求；圖2為SOC隨時(shí)間變化曲線。

表4為該電動(dòng)清掃車動(dòng)力仿真結(jié)果，如表所示，該車動(dòng)力性能符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 續(xù)駛里程分析結(jié)果

圖3為該電動(dòng)清掃車在UDDS工況下車速和蓄電池SOC隨時(shí)間變化情況，由圖可以看出來(lái)，在模擬完一個(gè)工況之后蓄電池SOC下降了3.5%左右。

該小型電動(dòng)清掃車?yán)m(xù)駛里程的分析結(jié)果與其行駛模式和實(shí)際工況有關(guān)系，文章選擇蓄電池純電動(dòng)續(xù)駛里程仿真計(jì)算，在UDDS工況下，該電動(dòng)清掃車在200kg的載荷下，以20km/h勻速行駛可以持續(xù)運(yùn)行35.5km，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 設(shè)計(jì)優(yōu)化

本課題針對(duì)設(shè)計(jì)的小型電動(dòng)清掃車做出進(jìn)一步的改進(jìn)，整車質(zhì)量上，由原來(lái)的600kg變?yōu)?00kg，負(fù)載由原來(lái)的200kg變?yōu)?50kg，將風(fēng)阻系數(shù)改為0.25，迎風(fēng)面積改為1.3m2，再對(duì)其進(jìn)行整車動(dòng)力性能及續(xù)駛里程進(jìn)行分析，得到結(jié)果如表5所示：

由表5可以得到：減輕整車質(zhì)量以及負(fù)載，減小風(fēng)阻系數(shù)以及整車迎風(fēng)面積，可以在一定程度上提高該電動(dòng)清掃車的動(dòng)力性能及續(xù)駛里程。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)利用advisor汽車動(dòng)力仿真軟件，對(duì)設(shè)計(jì)的小型電動(dòng)清掃車進(jìn)行動(dòng)力性以及續(xù)駛里程仿真分析，結(jié)果顯示該電動(dòng)清掃車的動(dòng)力性能及續(xù)駛里程都滿足設(shè)計(jì)要求。在此基礎(chǔ)上，又對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果顯示：整車質(zhì)量、風(fēng)阻系數(shù)以及迎風(fēng)面積對(duì)該電動(dòng)清掃車的動(dòng)力性及續(xù)駛里程有一定的影響，這為電動(dòng)清掃車的設(shè)計(jì)提供了理論參照。

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