雙電機工程搶險救援車參數匹配與仿真

肖永玖 ， 焦生杰 ， 王慶先

（1.長安大學公路養護裝備國家工程實驗室，陜西 西安 710000；2.江蘇集萃道路工程技術與裝備研究所有限公司，江蘇 徐州 221000）

近年來，以電動化為代表的新能源工程機械迅速發展。根據“十四五”規劃，到2023年，電動車輛占比將超過內燃車輛，到2025年，電動車輛占比將達到65%以上[1]。電動汽車作為一項新興產業，在我國有著得天獨厚的發展條件，但目前電動汽車的續駛里程和初始成本高是其研發和發展路上的瓶頸與障礙[2]。電池是電動汽車的唯一能量源，電機是電動汽車的唯一動力源[3]，合理匹配純電動汽車傳動系統參數，有助于純電動汽車獲得良好的動力性和經濟性[4]。研究小組根據某雙電機小型搶險救援車的設計參數和性能參數對車輛的電機參數、電池參數和傳動系統進行了參數匹配，并根據匹配后的整車參數，采用AVL Cruise軟件進行車輛建模仿真分析，驗證了該救援車的動力性與經濟性。

1 動力系統參數匹配與計算

1.1 雙電機救援車基本參數與性能指標

原車輛的整車主要參數，如表1所示。

表1 整車主要參數

原車輛的動力性指標與經濟性指標，如表2所示。

表2 車輛動力性指標與經濟性指標

1.2 電機參數計算

1.2.1 電機的峰值功率

整車的電機峰值功率應同時滿足以最高車速行駛下的最高功率、進行最大爬坡度時的需求功率以及滿足加速時間的需求功率。

式中，Pmax為整車峰值功率；Pmax1為最高車速行駛下的需求功率；Pmax2為進行最大爬坡度時需求的電機功率；Pmax3為滿足加速時間的需求功率。

Pmax=22.65 kW，考慮到電氣元件的消耗，為保證車輛在爬坡時穩定行駛，動力系統需要一定的功率余量，故暫取30 kW。

1.2.2 電機的額定功率

驅動電機的峰值功率與額定功率存在以下關系：

式中，Pe為電機的額定功率；λ為電機過載系數，本研究中λ取2。

綜上，電機的額定功率為15 kW，峰值功率為30 kW。

1.2.3 電機轉速

根據最高車速，并綜合考慮電機的負載、體積以及其他性能，暫選交流異步電機。最高轉速高于6 000 r/min的交流電機稱為高速電機，其制造成本高且工藝復雜。以下為普通電機，故暫取電機最高轉速為：

電機的額定轉速與最高轉速的關系式為：

式中，β為電機擴大恒功率區系數，本研究取β=2，故ne=3 000 r/min。

1.2.4 電機轉矩

最大轉矩與額定轉矩的計算公式為：

計算可得，最大轉矩Tmax=95.5 N·m，額定轉矩Te=47.5 N·m。

綜上，可得到電機總的需求功率，再根據目前市場上的電機型號，綜合考慮成本以及電機效率，暫取兩臺同型號額定功率為7.5 kW，峰值功率為15 kW，額定轉速為3 000 r/min，最高轉速為6 000 r/min，額定轉矩為23.75 N·m，最高轉矩為47.5 N·m的交流異步電機。

1.3 傳動比參數計算

傳動比的上限與最高車速有關，即：

傳動比的下限與車輛最高速度行駛時的阻力有關，即：

計算可得0.98≤i0≤17.24，考慮到救援車最高速度無需過大，暫取i0=16。

1.4 電池組參數計算

動力電池作為救援車的唯一能量來源，電池的選擇對整車動力性及經濟性有極大的影響[5]。因此，需要根據動力性以及經濟性指標匹配合適的電池。動力電池所提供的能量需滿足以下關系式：

式中，m為整車計算質量，單位為kg；g為重力加速度，單位為m/s2；f為滾動阻力系數；CD為空氣阻力系數；A為迎風面積，單位為m2；vavg為平均車速，單位為km/h；ηt為傳動系效率；ηm為電機及控制器效率；ηb為動力電池放電效率；nacc為電動附件能耗系數；DOD為動力電池放電深度；Ue為動力電池組額定電壓，單位為V；d1為續駛里程，單位為km；Ce為電池容量，單位為AH。

計算可得，WB=11.26 kW·h，CB=156。

2 整車建模及仿真分析

2.1 整車建模

根據整車參數，包括電機參數、電池參數和傳動比參數，使用AVL Cruise[6]軟件建立仿真模型，如圖1所示。

圖1 工程救援車Cruise仿真模型

2.2 仿真結果

在AVL Cruise軟件中分別建立低速NEDC經濟性任務、最大牽引力、最大爬坡度以及0～45 km/h加速動力性任務，仿真結果如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖2 低速NEDC續駛里程/km

圖3 最大牽引力/N

圖4 最大爬坡度/%

圖5 0～45 km/h加速性能

3 結論

研究小組根據雙電機四驅工程搶險救援車的動力性參數指標和經濟性參數指標，對救援車的電池、電機以及高速擋傳動比進行了計算和選型，并得到匹配參數；通過AVL Cruise軟件對工程救援車進行動力性和經濟性仿真分析。結果表明，在低速的NEDC工況下，救援車的續航為141 km，最大爬坡度為82%，最大牽引力為8 105 N，0 km/h～45 km/h的加速時間為4.88 s，救援車的參數指標均滿足動力性和經濟性的要求。