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纯电动物流车的结构布置及动力传动系统匹配

2019-10-11 23:30:29·  来源:EDC电驱未来  
 
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本文选取某型纯电动物流车为研究对象,进行结构布置研究,并对其进行动力传动系统的匹配。
 

1 结构布置

电动汽车的结构布置可以参考传统燃油汽车的布置方案,但其灵活性更强。这主要是由于电动汽车的能量主要是通过柔性的线束而不是通过刚性机构零部件传递的。电动汽车的结构布置主要是三电系统(电机、电控、动力电池组)的布置,首先要解决的问题是动力电池组的布置。

1.1 动力电池组布置

电动汽车选用的电池并不像传统燃油汽车用的启动电池那么简单,其使用和排布更加复杂。动力电池组质量较大,占据整车质量的比重也较大,单体电池个数多,占据的空间大。动力电池组固定方式有两种:一是托底;二是吊装。托底方案是电池箱本体无固定耳,只在底板开四组固定螺孔,通过螺孔将电池箱螺装在一块转接板(类似大平板)上,由转接板转接至整车上的焊接固定脚。吊装方案是电池箱本体带固定耳,直接与车上螺孔或焊接固定脚进行螺装,具体设计方案见图1。

图1 动力电池组吊装方案布置图

托底方案与吊装方案相比:装配关系增多,装配难度增大,整车重量也会增加。同时,托底方案需要电池箱本体与转接板之间分装,装配效率也会降低。

综合上述两种方案的优缺点,本文动力电池组布置选择吊装方案。确定好动力电池组的结构布置后,驱动电机和电机控制器的布置(包括传动轴的布置)依据与驱动桥的空间距离展开排布。然后,依据总体设计和质量排布,对车辆的其他系统进行结构布置。

1.2 底盘布置

电动汽车总体结构布置(主要是底盘布置)方案是根据三电系统(电机、电控、动力电池组)的设计需求,在传统燃油汽车平台的基础上进行设计,保持传统车辆整体框架不变,传统车辆底盘的四大系统(传动系统、行驶系统、制动系统和转向系统)在保持工作原理不变的前提下做相应的设计调整。

①传动系统。传动系统在动力电池组布置完毕后依据总体布置重新排布。采用中置后驱方案,电机传动轴直连后桥,简化传动系统。

②行驶系统。由于总体布置与传统车辆不同,整车的质量与质量分布发生变化,需要对悬架参数以及四轮定位参数做出相应调整。

③转向系统。对转向系统进行重新匹配和调整;将转向助力方式改为电动助力转向。

④制动系统。对制动系统进行重新匹配和调整;增加电动真空泵为其提供真空源,加装真空气管;计算出前后轴荷分布的变化,制动力需要重新调整。

经过理论计算、样车试制和试验,该款纯电动物流车底盘总体布置方案如图2所示。

图2 纯电动物流车底盘布置

1.3 整车质心位置

纯电动物流车的整车质量和整车质心位置也是结构布置的一个主要指标。整车质心位置的变化会直接影响电动汽车的操纵稳定性、制动性和平顺性。整车质心位置过高,电动汽车易产生侧倾或纵倾,可能会导致翻车事故。

本方案将动力电池组布置在底盘(对应在乘员座位下方)中间偏前位置,在其后布置电机和电机控制系统(见图2)。在空载时,前后桥载荷比接近6∶4;在满载时,前后桥载荷比接近4∶6,其整车质量载荷分布均衡,质心位置合理。整车制动性能良好,操纵稳定性和平顺性也满足要求。

2 动力传动系统匹配

为了提高纯电动汽车的动力性能以及经济性能,对其进行动力系统的匹配设计是十分必要的。电动汽车动力系统匹配的流程是首先对汽车的动力性和经济性提出设计要求,然后根据动力性和经济性设计要求匹配计算确定驱动电机的类型及参数,再结合驱动电机的参数和性能要求确定动力电池组的参数。

本文在某车型平台和总体结构布置的基础上,根据设计方案中与车辆动力性能和经济性能相关的设计要求,对纯电动物流车动力传动系统进行匹配设计。

2.1 汽车行驶条件

汽车在行驶过程中,总阻力为:
 

式中,Ff为滚动阻力;Fw为空气阻力;Fi为坡度阻力;Fj为加速阻力。

当汽车在路面上行驶时,驱动力Ft必须等于或大于行驶时所遇到各种阻力(主要是空气阻力、滚动阻力、坡道阻力、加速阻力)之和,所以汽车行驶的驱动条件为:
 

 
根据汽车行驶条件分析,电动汽车的动力性设计要求主要有最大爬坡度、最高车速以及加速时间这三个方面。

2.2 电机参数匹配

电动汽车选用的电机与传统汽车发动机的特性有很大区别,具有在低速时恒转矩和高速时恒功率的特点。电机参数的匹配主要包括电机的额定电压、额定转速、额定功率、峰值功率、最大转矩及最高转速等参数的匹配。电机是电动汽车行驶的动力源,对整车的动力性有直接影响。

在满足电动汽车最高车速的情况下,电机应具备的功率为:

在满足电动汽车在最大爬坡的工况下,电机所消耗的功率:
 
在满足电动汽车在水平路面上,加速行驶消耗的功率:
 

 
式中,δ为汽车质量旋转换算系数,取δ=1.05;va为加速末速度(km∕h);ta为加速时间(s)。电动汽车电机的最大功率必须能同时满足所有动力性能要求。所以,电动汽车电机的峰值功率:


考虑到电动汽车实际运行工况和效率因素,取电机的峰值功率为Ppeak≥50kW。

由电机的峰值功率与额定功率的关系为:


式中,Ppeak为电机峰值功率(kW);λ为电机过载系数(一般取2~3);Prated为电机的额定功率(kW),即25kW。

而电动汽车最大转矩Tmax的选择需要同时满足汽车起动转矩和最大爬坡度的要求,即需要结合传动系最大传动比imax以及最大爬坡度αmax来确定。
 
其中,γr为车轮滚动半径;amax为最大爬坡度;f为滚动阻力系数;G为满载时车重;ηT为机械效率;imax为传动系最大传动比。计算得到最大扭矩取300N·m。

电动汽车需要在低转速(主要是启动时)得到恒定的最大扭矩,而在高转速时需要得到恒定的较高功率。因此,驱动电机最大转速的选择要结合传动系减速比、驱动电机效率和连续转动特性综合考虑,既要满足启动时的要求,又要满足高速时的要求。结合电动汽车的技术要求,选用最高转速在3 000~6 000r∕min的电机[4]。

电机最高转速与额定转速的比值β与电机转矩的大小有关,β值越大,电机在低速下就可以获得较大的转矩,大转矩有利于汽车的爬坡和加速。但是,β值过大会导致电动汽车功率损耗,造成能量过度消耗,降低续驶里程。依据驱动电机的特性,一般β值取为2~3。因此,电机的额定转速范围选定为1 500~3 000r∕min。

综上所述,该款纯电动物流车选用电机的参数见表1。

表1 电机相关参数
2.3 动力电池组的参数匹配

动力电池组是整车的能量来源,纯电动物流车消耗的所有能量均来自于动力电池组。纯电动物流车动力电池组的参数匹配主要包括电池组电池的类型、电池组电压、单体电芯的数目、电池组总体容量等参数的选择。动力电池组的容量根据车辆行驶时所需的最大功率、所消耗的最大能量以及满足电动汽车对动力性和经济性能(主要是续驶里程)的要求来确定。本文选取21 700单体电芯。

纯电动物流车选取的动力电池组的输出功率必须满足电动汽车行驶时所需最大功率(即电机峰值功率)的要求。同时,动力电池组充满电后的能量必须大于或等于电动汽车所需的最大能量。


式中:Ppeak为电机峰值功率(kW);ηm为电机的效率;ηc为电机控制器的效率;Pbmax为电池最大输出功率(kW),计算公式为:


其中,E0为电池的电动势;R为电池的内阻。

当电动汽车以经济时速运行时满足续驶里程要求:


其中,W1为电动汽车行驶1km所消耗的能量,参照相同质量功率的电动汽车,取W1为0.2(kW·h)∕km。

电池数目n的初步确定:


考虑到常见电机的电压,取n为88。

综合考虑选取88串32并的三元锂离子动力电池组,动力电池组容量为41kW·h。

3 结语

通过对整车的结构布置和动力系统匹配及校核,本车型研发方案切实可行。该款电动物流车整车平台搭载大容量三元锂电池,永磁同步电动机,高效控制系统。强大的动力系统配合灵活的车身平台,使得该车具有动力强劲、续驶里程长、噪声小、安全舒适、运营成本低等特点。纯电动物流车的结构布置及动力传动系统匹配总体符合开发预期。
 
 
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