重型環衛車動力系統參數匹配及性能仿真

李威華

比亞迪汽車工業有限公司 廣東深圳 518118

1 前言

隨著傳統石油能源的過度使用以及過度依賴，環境污染是亟需解決的世界性難題。面對節能環保的要求，電動汽車逐漸成為研究熱點，其具有低污染、低能耗、能量利用效率高等優點，在環境保護和能源可持續利用等方面具有明顯的優勢。同時其平穩性突出，尤其適用于城市道路。近年來，純電動環衛車發展迅猛，技術日趨成熟，關于其動力系統的優化匹配也在持續研究中。筆者對重型純電動環衛車動力系統進行了匹配設計，主要包括電機、變速器、電池參數匹配，得到了滿足于動力經濟性的純電動環衛車動力系統。

2 基本參數及動力經濟性指標要求

2.1 整車基本參數

本文車型為N3類重型純電動環衛車，整車基本參數如下：長×寬×高為10 220 mm×2 865 mm×3 725 mm，軸距為4 291+1 350+1 270 mm，整備質量為18 000 kg，滿載質量為32 000 kg，總布置圖如圖1、2 所示。

圖1 重型純電動環衛車總布置正視圖

圖2 重型純電動環衛車底盤總布置俯視圖

2.2 動力經濟性指標要求

動力性能試驗方法參照國標[1]，經濟性能試驗方法參照國標[2,3]，提出電動汽車動力經濟性評價指標，如表1、2所示。

表1 重型純電動環衛車動力性指標

表2 重型純電動環衛車經濟性指標

3 動力系統參數匹配

3.1 電機參數匹配

3.1.1 電機功率的確定

在車輛運行過程中，電機的有效功率和行駛阻力是平衡的。不考慮風速的影響，可得電動汽車功率平衡方程為：

式中，Pm為 電機功率，kW；m為 車輛總質量，kg；f為滾動阻力系數；CD為空氣阻力系數；A為迎風面積，m2；ρ為空氣密度；θ為道路坡度角；δ為旋轉質量換算系數；η為傳動系統效率，取η=0 .93；v為車輛運行速度，汽車與空氣的相對速度為va（ 風速為0 時v=va），km/h 。

3.1.1.1 額定功率的確定

a.最高車速需求功率的確定

最高車速是考量汽車性能的重要指標。汽車在達到最高車速時，車輛的驅動力與行駛阻力達到平衡，不考慮坡道的影響，此時汽車的阻力主要是滾動阻力與空氣阻力。設計中一般以滿足設計的最高車速來確認電機的額定功率，額定功率應不小于車輛半載時以最高車速勻速行駛時的阻力功率，電機的額定功率平衡方程為：

式中 ，P? 為電機額定功率，kW；vmax為車輛最高車速，km/h。

b.持續爬坡需求功率的確定

車輛在5%坡度達到最高車速時，車輛的驅動力與行駛阻力達到平衡，此時汽車的阻力主要是滾動阻力、坡度阻力和空氣阻力。電機的額定功率應能滿足車輛滿載時的爬坡功率需求，電機的額定功率平衡方程為：

c.制動回饋功率的確定

按照國標[4]要求，該車還應校核制動性能，即車輛滿載時以30 km/h的平均車速在6%坡道上，下坡行駛6 km的所有能量能被電機全部回收，計算公式如下：

式中，P回為電機回饋功率，kW。

d.工況平均需求功率的確定

根據國標[3]中規定的C-WTVC工況，按市區：公路：高速=1:3:6時，半載時的額定功率應不小于按里程比例分配的平均功率，計算公式如下：

式中 ，P均 為 平均功率,kW；Q為 所耗能量,kWh；t為所耗時間，h。

3.1.1.2 峰值功率的確定

a.加速性能功率需求

電機的峰值功率應滿足加速時間要求，忽略坡度阻力的影響，即：

式中，P峰為電機最大功率，kW。

根據上述公式（1）～（6），代入數據，電機功率需求計算結果如表3所示。

表3 重型純電動環衛車電機功率需求

3.1.2 輪端扭矩的確定

3.1.2.1 峰值輪端扭矩的確定

輪端扭矩應滿足車輛實際運行過程中的最大爬坡度要求，爬坡過程中車速較低，空氣阻力很小，為簡化計算過程，忽略其影響，簡化計算公式如下:

式中，T峰為輪端最大扭矩，N·m；r為輪胎滾動半徑，m。

為防止驅動輪打滑，對于后輪驅動車輛，作用在驅動輪上的轉矩引起的地面切向反作用力不能大于附著力，即：

式中，Tt為驅動輪扭矩，N·m；φ為附著系數；Fz2為驅動輪法向反作用力，N。

3.1.2.2 額定輪端扭矩的確定

額定輪端扭矩應滿足實際運行中持續爬坡5%的要求，即：

式中，T額為輪端額定扭矩，N m。

3.1.2.3 起步爬坡需求輪端扭矩的確定

根據國標[1]的規定，起步坡度計算公式如下：

式中，Cn為最大動力軸扭矩，N m；T為總的齒輪傳動比；ητ為齒輪傳動效率；M為試驗時的最大設計總質量，kg；R為滾動阻尼系數，一般為0.01。

根據公(7)～(10)，代入數據，輪端扭矩需求計算結果。如表4所示。

表4 重型純電動環衛車輪端扭矩需求

3.2 變速器速比的確定

電動機有很大的啟動轉矩，具有低速恒轉矩、高速恒功率的特點，能夠根據車輛需求輸出轉矩和轉速。電動汽車傳動比的選擇需要滿足最高車速和最大爬坡度的要求。選定電機后，電機的最高轉速與最大轉矩隨之確定，這就需要選擇合適的傳動比來滿足車輛的性能要求。

3.2.1 最高檔傳動比的確定

最小傳動比根據電機最高轉速nmax和 最高車速Vmax確定，且最高車速對應電機轉速不大于nmax即：

式中，nmax為電機最高轉速，r/min；imin為最小傳動比；i1為變速器一檔速比；i2為變速器二檔速比；i端為輪端速比。

3.2.2 最低檔傳動比的確定

最大傳動比根據最大爬角度θmax和電機最大扭矩Tmax確定，即：

式中，imax為最大傳動比。

根據公式(11)、(12)，代入數據，可得imin≤1 5.83，imax≥34.21。

3.3 電機及變速器方案的確定

3.3.1 電機及變速器參數的確定

根據表3以及傳動比的計算結果可知，該車對電機功率和扭矩需求較大，結合上述計算分析，最終選擇2912電機作為驅動電機，數量為2，電機參數如表5所示。

表5 2912電機參數

根據上述計算可知，變速器速比闊度大，采用兩擋箱即可滿足需求，根據現有變速器型號，最終選取變速器速比為i1=12.451、i2=4.295，輪端速比i端=3.088。

3.3.2 單電機集成橋

單電機集成橋集成了驅動電機、兩擋自動變速箱自動電液換擋控制模塊及車橋于一體，極大地提高了動力的傳遞效率，提升了整車的動力性和經濟性，如圖3、4所示。其集成的變速箱箱體由鋁合金鑄造，比鑄鐵箱體輕60%～70%，具有環保、抗銹及優良的導熱性、易于機加工，同時省去此處的傳動軸，節約制造成本及降低車輛的故障率，綜合考慮采用單電機集成橋確定電機及變速器的方案。

圖3 單電機集成橋前視圖

圖4 單電機集成橋俯視圖

3.4 電池參數的確定

3.4.1 電池總電量的確定

電池總電量的大小直接決定了車輛的續駛里程，匹配大容量的電池會增加車輛的續駛里程，但同時也會增大整車質量，且成本也會相應增長，因此，匹配合理的電池容量尤為重要。這里分別按照國標[3]的等速法和工況法計算確定電池的總電量，勻速法根據目標車速計算輪端阻力功率，而汽車行駛所需電池功率如式(13)，當電池放電功率或電壓平臺下的電機功率小于目標車速×90%所需的電機功率時，計算得出需求電量Q為285.1 kWh。

式中，Pz為整車阻力功率，kW；ηt為傳動效率，取ηt=0.91；ηn為電機效率，取ηn=0.94；ηe為控制器效率，取ηe=0.96；ηb為電池放電效率，取ηb=0.98；fz為必要附件功率，取fz=1 kW。

在C-WTVC工況下，市區：公路：高速=1:3:6，根據目標車速計算輪端阻力功率，根據上述效率計算電池放電功率，計算可得滿載需求電量為307.4 kWh。

3.4.2 電池放電功率的確定

目前電池放電策略如式(14)，其中Pb為電池放電功率，Pm為電機功率：

根據公式(1)、(14)，可以算出，各工況需求的電池峰值和額定放電功率如表6所示。

表6 電池放電功率需求表

3.4.3 電池包方案的確定

前可供選擇的標準包參數如表7所示。

表7 標準包參數

根據初步計算結果，T01需要至少7個標準包，T02需要至少16個標準包，綜合考慮布置空間及駕駛室結構形式，選擇T02標準包4串4并的布置方案。此時電池包電壓為642.4 V，電量為321.2 kWh，電池包電量符合計算需求，電池峰值和額定放電功率也滿足電機功率需求，具體方案如表8所示。

表8 電池包方案

4 基于Matlab軟件的整車性能仿真

4.1 仿真模型建立

在Matlab軟件中，通過對各個動力系統進行建模，設定仿真邊界條件：電池初始SOC 為1（100%），終止SOC為0.05（5%），分別進行車輛空載、半載、滿載狀態下的各項性能仿真。在Matlab 軟件中建立公差模塊、工況模塊、電池模塊、電機模塊、行駛阻力模塊、換擋模塊等進而完成了重型純電動環衛車仿真模型，如圖5 所示。用到的驅動電機外特性曲線，如圖6所示。

圖5 重型純電動環衛車Matlab仿真模型

圖6 驅動電機外特性曲線

4.2 仿真動力性結果分析

通過Matlab軟件建立仿真模型，分析最高車速、加速性能和爬坡性能，動力性能仿真結果如表9所示。爬坡車速性能曲線如圖7所示，最大爬坡度性能曲線如圖8所示，加速性能曲線如圖9所示。

表9 動力性能仿真結果

圖7 最高車速及爬坡車速性能曲線

圖8 最大爬坡度性能曲線

4.3 續駛里程分析

根據國標[3]分別計算該車在勻速40 km/h車速和CWTVC工況下的續駛里程，工況運行圖如圖10所示，仿真結果如表10所示。

圖9 加速性能曲線

圖10 工況運行圖

5 結語

純電動汽車能有效緩解汽車工業對燃油的依賴，是降低尾氣污染的有效手段。因此，本文重型純電動環衛車為研究對象，對動力系統進行參數匹配設計，并利用電動汽車仿真軟件Matlab建立相應的純電動環衛車動力系統及整車的仿真模型，對整車模型的最高車速、加速能力、爬坡性能和續駛里程等指標進行了仿真研究。結果表明，續駛里程、最高車速、加速性能和爬坡性能等均滿足重型環衛車的性能要求和使用條件，方案可行。

表10 重型純電動環衛車續駛里程仿真結果