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純電動物流車的底盤布置及動力匹配計算
2019-08-01 20:14:49· 來源：EDC電驅(qū)未來 作者：彭書遙，肖黎明
隨著國家政策導(dǎo)向及電子商務(wù)的快速發(fā)展，純電動物流車發(fā)展迅猛。本文選擇2.5t純電動物流車底盤做開發(fā)研究，之所以選擇這種輕型底盤，是因為該底盤在市場應(yīng)用廣泛
隨著國家政策導(dǎo)向及電子商務(wù)的快速發(fā)展，純電動物流車發(fā)展迅猛。本文選擇2.5t純電動物流車底盤做開發(fā)研究，之所以選擇這種輕型底盤，是因為該底盤在市場應(yīng)用廣泛，使用成本較低，可擴展為其它專用車。以下對這類電動物流車進(jìn)行底盤布置，并進(jìn)行匹配校核計算。
1 底盤布置方案
1.1 總體描述
根據(jù)三電系統(tǒng)的需求，在傳統(tǒng)平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計、修改部分子系統(tǒng)，保持底盤框架不變，制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等在保持工作原理不變的前提下做相應(yīng)的設(shè)計調(diào)整。
(1)底盤平臺：沿用現(xiàn)有車型平臺的底盤構(gòu)架，即車架不做大的變動、底盤子系統(tǒng)工作原理不變。采用中置后驅(qū)，大扭矩電機直驅(qū)方案，簡化系統(tǒng)，降低質(zhì)量。
(2)底盤子系統(tǒng)：對制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)進(jìn)行重新匹配和調(diào)整：增加電動真空泵為其提供真空源，相應(yīng)管路等零部件需要更改；轉(zhuǎn)向助力改為電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；傳動系統(tǒng)根據(jù)新的布置重新設(shè)計。各子系統(tǒng)零部件設(shè)計完成之后，根據(jù)總布置結(jié)果與零部件數(shù)模設(shè)計支架。
(3)懸架系統(tǒng)：整車的質(zhì)量與載荷分配變化，需對懸架參數(shù)做出相應(yīng)調(diào)整。
(4)制動系統(tǒng)：前后軸荷分布的變化，制動力需要重新調(diào)整。盡量沿用原制動系統(tǒng)方案，對各種載荷狀態(tài)下所需制動力進(jìn)行分析和計算，并通過樣車試驗進(jìn)行驗證。
1.2 布置方案
常規(guī)布置方案一般采用動力中置后輪驅(qū)動，這種方案將電控系統(tǒng)布置在駕駛室下方原發(fā)動機位置，將電機布置在原變速箱位置，動力電池包布置在車架兩側(cè)，其他系統(tǒng)沿用傳統(tǒng)車底盤。
它的優(yōu)點是技術(shù)難度小，開發(fā)周期短，成本投入小，電池在外側(cè)，可維護(hù)性較好。市場上此類車型大都采用這種方案。但該方案缺點也明顯：動力電池布置在車架兩側(cè)，側(cè)面碰撞和刺破風(fēng)險較高，需要設(shè)計防護(hù)裝置；電池布置在整車中部，導(dǎo)致后橋軸荷狀態(tài)進(jìn)一步惡化，同時影響到制動性能；從擴展性來說，動力電池的位置也會對上裝設(shè)備帶來較大影響。
經(jīng)過理論計算、樣車試制和試驗，發(fā)現(xiàn)后軸荷偏大問題始終無法解決，進(jìn)而導(dǎo)致制動性能無法滿足法規(guī)需求，為此提出新的布置方案如圖1所示。
圖1 常規(guī)布置方案
本方案將動力電池包布置在原發(fā)動機位置，其后布置驅(qū)動電機和控制系統(tǒng)。動力電池包靠前橋布置：空載時，前、后橋載荷比接近5∶5，前后橋制動力分配簡單，制動時整車姿態(tài)穩(wěn)定；滿載時，前、后橋載荷比接近2∶3，載荷分布均衡，制動力分配合理，配合防抱死系統(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)，整車制動性能良好。
2 動力匹配計算
根據(jù)設(shè)計方案確定整車參數(shù)和性能指標(biāo)要求，通過分析計算，確定滿足目標(biāo)性能的動力系統(tǒng)參數(shù)。
2.1 驅(qū)動電機參數(shù)計算
計算用基本參數(shù)列表如表1。
表1參數(shù)取值說明：
(1)迎風(fēng)面積A：根據(jù)車身及各種附件的數(shù)模投影計算出：A=2.3925m2
(2)滾動阻力系數(shù)f：采用推薦的貨車輪胎在良好路面上的滾動阻力系數(shù)經(jīng)驗公式
，式中，ua為行駛速度。(3)動力傳動系統(tǒng)機械效率
根據(jù)動力傳動系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)
為傳動軸萬向節(jié)的傳動效率，取97%；
為主減速器傳動效率，取95%，可得
=97%×95%=92%。2.2 動力性能分析計算
主要依據(jù)汽車驅(qū)動力和行駛阻力之間的平衡關(guān)系，平衡方程為：
，式中，F(xiàn)t為驅(qū)動力，F(xiàn)f為滾動阻力，F(xiàn)w為空氣阻力，F(xiàn)i為坡道阻力，F(xiàn)j為加速阻力。在電機轉(zhuǎn)速特性、傳動系統(tǒng)傳動比及效率、車輪半徑、空氣阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積以及汽車的質(zhì)量等確定后，便可確定汽車的驅(qū)動力－行駛阻力平衡關(guān)系。上述驅(qū)動力和行駛阻力的計算方法如下：(1)驅(qū)動力
，式中，Ttq為電機的輸出轉(zhuǎn)矩，i0為主減速器速比，為動力傳動系統(tǒng)機械效率，rd為車輪滾動半徑。(2)滾動阻力：
，式中，m為汽車計算載荷工況下的質(zhì)量；g為重力加速度，f為滾動阻力系數(shù)；α為道路坡角。(3)空氣阻力：
，式中，CD為空氣阻力系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，ua為汽車行駛速度。(4)坡道阻力：
，式中，m為計算載荷工況下汽車的質(zhì)量，g為重力加速度，α為道路坡角。(5)加速阻力：
，式中，δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，此處取1.15；m為法規(guī)試驗質(zhì)量，
為汽車行駛加速度。(6)汽車速度與電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：
式中，ua為汽車行駛速度；n為電機轉(zhuǎn)速；i0為主減速器速比，rd為車輪滾動半徑。根據(jù)上述公式，我們還可以計算出汽車在任意電機轉(zhuǎn)速下的驅(qū)動力、行駛阻力。
2.3 電機選型計算
2.3.1 計算電機最高轉(zhuǎn)速及額定功率
根據(jù)車輛最高車速需求，選型電機最高轉(zhuǎn)速計算如下：
經(jīng)計算
根據(jù)車輛最高車速需求，選型電機額定功率計算如下：
經(jīng)計算，
根據(jù)以上計算結(jié)果及出于冗余設(shè)計需求，取選型電機參數(shù)如下：電機最高轉(zhuǎn)速nmax＞5000rpm。
電機額定功率Pe＞18KW。峰值功率一般為額定功率的2倍。
2.3.2 計算電機最大扭矩
根據(jù)車輛最大爬坡度需求，選型電機最大扭矩計算如下：
經(jīng)計算，
出于冗余設(shè)計需求，選型電機扭矩Tmax＞350N.m。
2.3.3 選型電機參數(shù)
根據(jù)上述計算，選型電機參數(shù)如下：額定功率(30kw)，最高功率(60kW)，最高轉(zhuǎn)速(6000rpm)峰值扭矩(350N·m)。
2.4 電池容量計算
動力電池包選用鋰離子電池組成，經(jīng)串、并聯(lián)組合成電池組，配套電源管理系統(tǒng)（BMS）和其他附件打包而成，電池系統(tǒng)放電效率估算為99%。
表1 計算用基本參數(shù)列表
表2 計算及仿真分析后選型電機及電池參數(shù)
2.4.1 仿真工況
根據(jù)《GB/T 18386-2005電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》，一次完整工況循環(huán)包括4次市區(qū)工況及一次郊區(qū)工況循環(huán)，采用該工況試驗?zāi)茌^真實反映真實情況下行車的功耗。
2.4.2 模型搭建
根據(jù)整車參數(shù)和選型電機參數(shù)，使用M AT L A B/Simulink系統(tǒng)搭建仿真模型，經(jīng)仿真計算，滿足180km續(xù)航需要41.67kW·h電量。
2.5 選型結(jié)果
經(jīng)計算及仿真分析后選型電機及電池參數(shù)如表2所示。
3 結(jié)論
經(jīng)過上述布置和計算校核，證明對電動車結(jié)構(gòu)改型的開發(fā)是可行的。本方案選擇的三電系統(tǒng)能滿足2.5t純電動物流車性能要求，底盤結(jié)構(gòu)合理，并具有較大的擴展性。作為對原有方案的創(chuàng)新，這套方案依舊延續(xù)了開發(fā)周期短、技術(shù)風(fēng)險小的優(yōu)點，可以作為各汽車企業(yè)對現(xiàn)有電動車型進(jìn)行升級改造的基本思路。
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