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純電動物流車的結(jié)構(gòu)布置及動力傳動系統(tǒng)匹配
2019-10-11 23:30:29· 來源：EDC電驅(qū)未來
純電動物流車的結(jié)構(gòu)布置及動力傳動系統(tǒng)匹配原創(chuàng)：EDC電驅(qū)未來 今天做價(jià)值的傳播者，一路同行，一起成長聲明：本平臺只提供分享和交流不作商業(yè)用途，如侵權(quán)請及時(shí)
本文選取某型純電動物流車為研究對象，進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置研究，并對其進(jìn)行動力傳動系統(tǒng)的匹配。
1 結(jié)構(gòu)布置
電動汽車的結(jié)構(gòu)布置可以參考傳統(tǒng)燃油汽車的布置方案，但其靈活性更強(qiáng)。這主要是由于電動汽車的能量主要是通過柔性的線束而不是通過剛性機(jī)構(gòu)零部件傳遞的。電動汽車的結(jié)構(gòu)布置主要是三電系統(tǒng)（電機(jī)、電控、動力電池組）的布置，首先要解決的問題是動力電池組的布置。
1.1 動力電池組布置
電動汽車選用的電池并不像傳統(tǒng)燃油汽車用的啟動電池那么簡單，其使用和排布更加復(fù)雜。動力電池組質(zhì)量較大，占據(jù)整車質(zhì)量的比重也較大，單體電池個數(shù)多，占據(jù)的空間大。動力電池組固定方式有兩種：一是托底；二是吊裝。托底方案是電池箱本體無固定耳，只在底板開四組固定螺孔，通過螺孔將電池箱螺裝在一塊轉(zhuǎn)接板（類似大平板）上，由轉(zhuǎn)接板轉(zhuǎn)接至整車上的焊接固定腳。吊裝方案是電池箱本體帶固定耳，直接與車上螺孔或焊接固定腳進(jìn)行螺裝，具體設(shè)計(jì)方案見圖1。
圖1 動力電池組吊裝方案布置圖
托底方案與吊裝方案相比：裝配關(guān)系增多，裝配難度增大，整車重量也會增加。同時(shí)，托底方案需要電池箱本體與轉(zhuǎn)接板之間分裝，裝配效率也會降低。
綜合上述兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本文動力電池組布置選擇吊裝方案。確定好動力電池組的結(jié)構(gòu)布置后，驅(qū)動電機(jī)和電機(jī)控制器的布置（包括傳動軸的布置）依據(jù)與驅(qū)動橋的空間距離展開排布。然后，依據(jù)總體設(shè)計(jì)和質(zhì)量排布，對車輛的其他系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置。
1.2 底盤布置
電動汽車總體結(jié)構(gòu)布置（主要是底盤布置）方案是根據(jù)三電系統(tǒng)（電機(jī)、電控、動力電池組）的設(shè)計(jì)需求，在傳統(tǒng)燃油汽車平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，保持傳統(tǒng)車輛整體框架不變，傳統(tǒng)車輛底盤的四大系統(tǒng)（傳動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）在保持工作原理不變的前提下做相應(yīng)的設(shè)計(jì)調(diào)整。
①傳動系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)在動力電池組布置完畢后依據(jù)總體布置重新排布。采用中置后驅(qū)方案，電機(jī)傳動軸直連后橋，簡化傳動系統(tǒng)。
②行駛系統(tǒng)。由于總體布置與傳統(tǒng)車輛不同，整車的質(zhì)量與質(zhì)量分布發(fā)生變化，需要對懸架參數(shù)以及四輪定位參數(shù)做出相應(yīng)調(diào)整。
③轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行重新匹配和調(diào)整；將轉(zhuǎn)向助力方式改為電動助力轉(zhuǎn)向。
④制動系統(tǒng)。對制動系統(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，加裝真空氣管；計(jì)算出前后軸荷分布的變化，制動力需要重新調(diào)整。
經(jīng)過理論計(jì)算、樣車試制和試驗(yàn)，該款純電動物流車底盤總體布置方案如圖2所示。
圖2 純電動物流車底盤布置
1.3 整車質(zhì)心位置
純電動物流車的整車質(zhì)量和整車質(zhì)心位置也是結(jié)構(gòu)布置的一個主要指標(biāo)。整車質(zhì)心位置的變化會直接影響電動汽車的操縱穩(wěn)定性、制動性和平順性。整車質(zhì)心位置過高，電動汽車易產(chǎn)生側(cè)傾或縱傾，可能會導(dǎo)致翻車事故。
本方案將動力電池組布置在底盤（對應(yīng)在乘員座位下方）中間偏前位置，在其后布置電機(jī)和電機(jī)控制系統(tǒng)（見圖2）。在空載時(shí)，前后橋載荷比接近6∶4；在滿載時(shí)，前后橋載荷比接近4∶6，其整車質(zhì)量載荷分布均衡，質(zhì)心位置合理。整車制動性能良好，操縱穩(wěn)定性和平順性也滿足要求。
2 動力傳動系統(tǒng)匹配
為了提高純電動汽車的動力性能以及經(jīng)濟(jì)性能，對其進(jìn)行動力系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)是十分必要的。電動汽車動力系統(tǒng)匹配的流程是首先對汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性提出設(shè)計(jì)要求，然后根據(jù)動力性和經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)要求匹配計(jì)算確定驅(qū)動電機(jī)的類型及參數(shù)，再結(jié)合驅(qū)動電機(jī)的參數(shù)和性能要求確定動力電池組的參數(shù)。
本文在某車型平臺和總體結(jié)構(gòu)布置的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)方案中與車輛動力性能和經(jīng)濟(jì)性能相關(guān)的設(shè)計(jì)要求，對純電動物流車動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。
2.1 汽車行駛條件
汽車在行駛過程中，總阻力為：
式中，F(xiàn)f為滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fi為坡度阻力；Fj為加速阻力。
當(dāng)汽車在路面上行駛時(shí)，驅(qū)動力Ft必須等于或大于行駛時(shí)所遇到各種阻力（主要是空氣阻力、滾動阻力、坡道阻力、加速阻力）之和，所以汽車行駛的驅(qū)動條件為：
根據(jù)汽車行駛條件分析，電動汽車的動力性設(shè)計(jì)要求主要有最大爬坡度、最高車速以及加速時(shí)間這三個方面。
2.2 電機(jī)參數(shù)匹配
電動汽車選用的電機(jī)與傳統(tǒng)汽車發(fā)動機(jī)的特性有很大區(qū)別，具有在低速時(shí)恒轉(zhuǎn)矩和高速時(shí)恒功率的特點(diǎn)。電機(jī)參數(shù)的匹配主要包括電機(jī)的額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、額定功率、峰值功率、最大轉(zhuǎn)矩及最高轉(zhuǎn)速等參數(shù)的匹配。電機(jī)是電動汽車行駛的動力源，對整車的動力性有直接影響。
在滿足電動汽車最高車速的情況下，電機(jī)應(yīng)具備的功率為：
在滿足電動汽車在最大爬坡的工況下，電機(jī)所消耗的功率：
在滿足電動汽車在水平路面上，加速行駛消耗的功率：
式中，δ為汽車質(zhì)量旋轉(zhuǎn)換算系數(shù)，取δ=1.05；va為加速末速度（km∕h）；ta為加速時(shí)間（s）。電動汽車電機(jī)的最大功率必須能同時(shí)滿足所有動力性能要求。所以，電動汽車電機(jī)的峰值功率：
考慮到電動汽車實(shí)際運(yùn)行工況和效率因素，取電機(jī)的峰值功率為Ppeak≥50kW。
由電機(jī)的峰值功率與額定功率的關(guān)系為：
式中，Ppeak為電機(jī)峰值功率（kW）；λ為電機(jī)過載系數(shù)（一般取2～3）；Prated為電機(jī)的額定功率（kW），即25kW。
而電動汽車最大轉(zhuǎn)矩Tmax的選擇需要同時(shí)滿足汽車起動轉(zhuǎn)矩和最大爬坡度的要求，即需要結(jié)合傳動系最大傳動比imax以及最大爬坡度αmax來確定。
其中，γr為車輪滾動半徑；amax為最大爬坡度；f為滾動阻力系數(shù)；G為滿載時(shí)車重；ηT為機(jī)械效率；imax為傳動系最大傳動比。計(jì)算得到最大扭矩取300N·m。
電動汽車需要在低轉(zhuǎn)速（主要是啟動時(shí)）得到恒定的最大扭矩，而在高轉(zhuǎn)速時(shí)需要得到恒定的較高功率。因此，驅(qū)動電機(jī)最大轉(zhuǎn)速的選擇要結(jié)合傳動系減速比、驅(qū)動電機(jī)效率和連續(xù)轉(zhuǎn)動特性綜合考慮，既要滿足啟動時(shí)的要求，又要滿足高速時(shí)的要求。結(jié)合電動汽車的技術(shù)要求，選用最高轉(zhuǎn)速在3 000～6 000r∕min的電機(jī)［4］。
電機(jī)最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值β與電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小有關(guān)，β值越大，電機(jī)在低速下就可以獲得較大的轉(zhuǎn)矩，大轉(zhuǎn)矩有利于汽車的爬坡和加速。但是，β值過大會導(dǎo)致電動汽車功率損耗，造成能量過度消耗，降低續(xù)駛里程。依據(jù)驅(qū)動電機(jī)的特性，一般β值取為2～3。因此，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速范圍選定為1 500～3 000r∕min。
綜上所述，該款純電動物流車選用電機(jī)的參數(shù)見表1。
表1 電機(jī)相關(guān)參數(shù)
2.3 動力電池組的參數(shù)匹配
動力電池組是整車的能量來源，純電動物流車消耗的所有能量均來自于動力電池組。純電動物流車動力電池組的參數(shù)匹配主要包括電池組電池的類型、電池組電壓、單體電芯的數(shù)目、電池組總體容量等參數(shù)的選擇。動力電池組的容量根據(jù)車輛行駛時(shí)所需的最大功率、所消耗的最大能量以及滿足電動汽車對動力性和經(jīng)濟(jì)性能（主要是續(xù)駛里程）的要求來確定。本文選取21 700單體電芯。
純電動物流車選取的動力電池組的輸出功率必須滿足電動汽車行駛時(shí)所需最大功率（即電機(jī)峰值功率）的要求。同時(shí)，動力電池組充滿電后的能量必須大于或等于電動汽車所需的最大能量。
式中：Ppeak為電機(jī)峰值功率（kW）；ηm為電機(jī)的效率；ηc為電機(jī)控制器的效率；Pbmax為電池最大輸出功率（kW），計(jì)算公式為：
其中，E0為電池的電動勢；R為電池的內(nèi)阻。
當(dāng)電動汽車以經(jīng)濟(jì)時(shí)速運(yùn)行時(shí)滿足續(xù)駛里程要求：
其中，W1為電動汽車行駛1km所消耗的能量，參照相同質(zhì)量功率的電動汽車，取W1為0.2（kW·h）∕km。
電池?cái)?shù)目n的初步確定：
考慮到常見電機(jī)的電壓，取n為88。
綜合考慮選取88串32并的三元鋰離子動力電池組，動力電池組容量為41kW·h。
3 結(jié)語
通過對整車的結(jié)構(gòu)布置和動力系統(tǒng)匹配及校核，本車型研發(fā)方案切實(shí)可行。該款電動物流車整車平臺搭載大容量三元鋰電池，永磁同步電動機(jī)，高效控制系統(tǒng)。強(qiáng)大的動力系統(tǒng)配合靈活的車身平臺，使得該車具有動力強(qiáng)勁、續(xù)駛里程長、噪聲小、安全舒適、運(yùn)營成本低等特點(diǎn)。純電動物流車的結(jié)構(gòu)布置及動力傳動系統(tǒng)匹配總體符合開發(fā)預(yù)期。
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