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純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力匹配及仿真計(jì)算
2019-08-27 14:29:28· 來(lái)源：EDC電驅(qū)未來(lái)
純電動(dòng)汽車(chē)是以車(chē)載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)等各項(xiàng)要求的車(chē)輛。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)燃油車(chē)在給人類生活帶來(lái)極大便利的同
純電動(dòng)汽車(chē)是以車(chē)載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)等各項(xiàng)要求的車(chē)輛。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)燃油車(chē)在給人類生活帶來(lái)極大便利的同時(shí)，也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染及能源危機(jī)。由于對(duì)環(huán)境影響相對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)較小，出于對(duì)環(huán)境保護(hù)和能源危機(jī)的關(guān)注以及占領(lǐng)未來(lái)世界汽車(chē)市場(chǎng)的考慮，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展越來(lái)越受到人們的重視。
1.動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求
對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)力學(xué)特性分析是整車(chē)性能研究的基礎(chǔ)。從力學(xué)角度分析，運(yùn)動(dòng)中的車(chē)輛收到的力按作用類型可分為兩部分：一部分用來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)有效動(dòng)能和勢(shì)能的作用力，成為驅(qū)動(dòng)力；另一部分是阻礙車(chē)輛運(yùn)動(dòng)的阻力，包括滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡道阻力和加速阻力。本文所分析的車(chē)輛，其動(dòng)力性能指標(biāo)見(jiàn)表1。
表1 動(dòng)力性指標(biāo)
2.電動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配
動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性是純電動(dòng)汽車(chē)的基本性能需求，純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性指標(biāo)主要有最高車(chē)速、加速時(shí)間、最大爬坡度等，其性能指標(biāo)體現(xiàn)了純電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中能達(dá)到的極限運(yùn)動(dòng)水平。結(jié)合整車(chē)的參數(shù)，由此來(lái)決定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大扭矩、額定功率、最大功率、最大轉(zhuǎn)速等參數(shù)。經(jīng)濟(jì)性則反應(yīng)了純電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中的能耗水平，主要是電能的消耗。
與傳統(tǒng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中受力一樣，純電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中有滾動(dòng)阻力Ff、空氣阻力Fw、加速阻力Fj 和坡度阻力Fi。在行駛中，驅(qū)動(dòng)力需克服上述阻力。電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力Ft 由驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T tq 經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)到驅(qū)動(dòng)輪上。汽車(chē)行駛方程為：
其中，汽車(chē)總質(zhì)量m=1825kg，車(chē)輪半徑r=0.33m，風(fēng)阻系數(shù)Cd=0.35，滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.014，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)δ=1.29，迎風(fēng)面積A=2.7 m2，重力加速度g=9.8，傳動(dòng)比i=7.8，電機(jī)效率η d=0.95，機(jī)械傳動(dòng)效率ηc=0.98。
一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力性指標(biāo)中，最高車(chē)速對(duì)應(yīng)的是持續(xù)工作區(qū)，即電動(dòng)機(jī)的額定功率；而最大爬坡度和全力加速時(shí)間對(duì)應(yīng)的是短時(shí)工作區(qū)，即電動(dòng)機(jī)的峰值功率。由式（1）轉(zhuǎn)化為功率平衡方程為：
仿真結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及動(dòng)力電池滿足使用要求。文章為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、動(dòng)力性能分析提供了一種有效的方法，也為后續(xù)的實(shí)踐工作奠定了一定的基礎(chǔ)。
電機(jī)的峰值功率應(yīng)該滿足汽車(chē)以最低穩(wěn)定速度爬坡所需功率及以最大加速度行駛所需功率，最大爬坡度是指滿載時(shí)在良好路面上用最低檔克服的最大坡度。
爬坡功率有：
加速功率有
峰值功率需滿足：
電機(jī)的峰值扭矩應(yīng)滿足汽車(chē)以最低穩(wěn)定速度行駛時(shí)所能爬的最大坡度所需的扭矩，即：
電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速應(yīng)能滿足汽車(chē)以最高車(chē)速行駛時(shí)所需的轉(zhuǎn)速，汽車(chē)速度與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：
，通過(guò)換算，得：
帶入相關(guān)參數(shù)通過(guò)以上計(jì)算，選擇永磁同步電機(jī)，其參數(shù)為：額定功率30kW，最大功率60kW，額定扭矩120N·m，最大扭矩240N·m，最大轉(zhuǎn)速8000rpm。
3.動(dòng)力電池匹配
純電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中所需的能量完全來(lái)自于動(dòng)力電池，所以要求動(dòng)力電池具有與汽車(chē)使用壽命相當(dāng)?shù)某浞烹娧h(huán)壽命，擁有高效率、良好的性價(jià)比以及免維護(hù)特性。動(dòng)力電池參數(shù)的匹配主要考慮電池組的容量、電壓、能量密度、電池類型等。由于電動(dòng)汽車(chē)DCDC、電動(dòng)空調(diào)、電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力泵、電動(dòng)真空泵等附件也要消耗一定的電能，所以電池組的總電壓要大于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電壓；電池組的容量取決于電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程，電池組的容量越大，電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程越長(zhǎng)。
根據(jù)設(shè)計(jì)需求，動(dòng)力電池需保證汽車(chē)等速（60km/h）行駛405km。勻速行駛時(shí)，汽車(chē)需求功率為：
汽車(chē)等速（60km/h）行駛405km，用時(shí)為6.75h，因此電池總能量為50kwh。選擇鋰離子電池，考慮儲(chǔ)備能量，確定電池組的參數(shù)為：動(dòng)力電池系統(tǒng)電壓302V，總?cè)萘?83Ah，總能量55.3kWh。
4.汽車(chē)動(dòng)力性校核
4.1 電機(jī)性能校核
在MATLAB 環(huán)境下編程得到額定工況下的各車(chē)速情況下驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖、最大爬坡曲線圖、加速度倒數(shù)曲線圖，分別如圖1至圖3所示。從圖1中可以清楚地看出不同車(chē)速時(shí)驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力之間的關(guān)系。驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力曲線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的速度即為最大車(chē)速，從圖中可知汽車(chē)最大行駛速度大于設(shè)計(jì)需求速度。從圖中還可以看出，當(dāng)車(chē)速低于最高車(chē)速時(shí)，驅(qū)動(dòng)力大于行駛阻力，這樣汽車(chē)就可以利用剩余驅(qū)動(dòng)力加速或爬坡。從圖2中可以看出不同車(chē)速時(shí)汽車(chē)的爬坡能力，最大爬坡能力大于設(shè)計(jì)要求的爬坡能力。圖3中速度與加速度倒數(shù)的曲線圖包圍的面積值即為加速時(shí)間，通過(guò)計(jì)算面積，0～50km/h（13.89m/s）加速時(shí)間為5.3s，滿足開(kāi)發(fā)要求。
圖1
圖2
圖3
4.2 續(xù)駛里程校核
根據(jù)GB/T18386-2017《電動(dòng)汽車(chē)能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》中的相關(guān)要求，采用NEDC 來(lái)進(jìn)行續(xù)駛里程的測(cè)試。在MATLAB 下建立仿真模型，應(yīng)用NEDC 循環(huán)工況進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果如表2，通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，動(dòng)力電池滿足設(shè)計(jì)所需續(xù)航里程。
表2
5.結(jié)論
平行移動(dòng)式卡線器結(jié)構(gòu)如圖1所示。本體與下夾嘴采用銷軸連接固定，上夾嘴、壓板、拉板及拉環(huán)依次使用銷軸連接組成連桿機(jī)構(gòu)。
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