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純電動(dòng)物流車的底盤布置及動(dòng)力匹配計(jì)算
2019-08-01 20:14:49· 來(lái)源：EDC電驅(qū)未來(lái) 作者：彭書遙，肖黎明
隨著國(guó)家政策導(dǎo)向及電子商務(wù)的快速發(fā)展，純電動(dòng)物流車發(fā)展迅猛。本文選擇2.5t純電動(dòng)物流車底盤做開發(fā)研究，之所以選擇這種輕型底盤，是因?yàn)樵摰妆P在市場(chǎng)應(yīng)用廣泛
隨著國(guó)家政策導(dǎo)向及電子商務(wù)的快速發(fā)展，純電動(dòng)物流車發(fā)展迅猛。本文選擇2.5t純電動(dòng)物流車底盤做開發(fā)研究，之所以選擇這種輕型底盤，是因?yàn)樵摰妆P在市場(chǎng)應(yīng)用廣泛，使用成本較低，可擴(kuò)展為其它專用車。以下對(duì)這類電動(dòng)物流車進(jìn)行底盤布置，并進(jìn)行匹配校核計(jì)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(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)、修改部分子系統(tǒng)，保持底盤框架不變，制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、傳動(dòng)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(jì)調(diào)整。
(1)底盤平臺(tái)：沿用現(xiàn)有車型平臺(tái)的底盤構(gòu)架，即車架不做大的變動(dòng)、底盤子系統(tǒng)工作原理不變。采用中置后驅(qū)，大扭矩電機(jī)直驅(qū)方案，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，降低質(zhì)量。
(2)底盤子系統(tǒng)：對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行重新匹配和調(diào)整：增加電動(dòng)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；傳動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)新的布置重新設(shè)計(jì)。各子系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì)完成之后，根據(jù)總布置結(jié)果與零部件數(shù)模設(shè)計(jì)支架。
(3)懸架系統(tǒng)：整車的質(zhì)量與載荷分配變化，需對(duì)懸架參數(shù)做出相應(yīng)調(diào)整。
(4)制動(dòng)系統(tǒng)：前后軸荷分布的變化，制動(dòng)力需要重新調(diào)整。盡量沿用原制動(dòng)系統(tǒng)方案，對(duì)各種載荷狀態(tài)下所需制動(dòng)力進(jìn)行分析和計(jì)算，并通過樣車試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
1.2 布置方案
常規(guī)布置方案一般采用動(dòng)力中置后輪驅(qū)動(dòng)，這種方案將電控系統(tǒng)布置在駕駛室下方原發(fā)動(dòng)機(jī)位置，將電機(jī)布置在原變速箱位置，動(dòng)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(diǎn)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(chǎng)上此類車型大都采用這種方案。但該方案缺點(diǎn)也明顯：動(dòng)力電池布置在車架兩側(cè)，側(cè)面碰撞和刺破風(fēng)險(xiǎn)較高，需要設(shè)計(jì)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(shí)影響到制動(dòng)性能；從擴(kuò)展性來(lái)說(shuō)，動(dòng)力電池的位置也會(huì)對(duì)上裝設(shè)備帶來(lái)較大影響。
經(jīng)過理論計(jì)算、樣車試制和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)后軸荷偏大問題始終無(wú)法解決，進(jìn)而導(dǎo)致制動(dòng)性能無(wú)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(dòng)力電池包布置在原發(fā)動(dòng)機(jī)位置，其后布置驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制系統(tǒng)。動(dòng)力電池包靠前橋布置：空載時(shí)，前、后橋載荷比接近5∶5，前后橋制動(dòng)力分配簡(jiǎn)單，制動(dòng)時(shí)整車姿態(tài)穩(wěn)定；滿載時(shí)，前、后橋載荷比接近2∶3，載荷分布均衡，制動(dòng)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(dòng)性能良好。
2 動(dòng)力匹配計(jì)算
根據(jù)設(shè)計(jì)方案確定整車參數(shù)和性能指標(biāo)要求，通過分析計(jì)算，確定滿足目標(biāo)性能的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)。
2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)計(jì)算
計(jì)算用基本參數(shù)列表如表1。
表1參數(shù)取值說(shuō)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(jì)算出：A=2.3925m2
(2)滾動(dòng)阻力系數(shù)f：采用推薦的貨車輪胎在良好路面上的滾動(dòng)阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式
，式中，ua為行駛速度。(3)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率
根據(jù)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)
為傳動(dòng)軸萬(wàn)向節(jié)的傳動(dòng)效率，取97%；
為主減速器傳動(dòng)效率，取95%，可得
=97%×95%=92%。2.2 動(dòng)力性能分析計(jì)算
主要依據(jù)汽車驅(qū)動(dòng)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(dòng)力，F(xiàn)f為滾動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)速特性、傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)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(dòng)力－行駛阻力平衡關(guān)系。上述驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力的計(jì)算方法如下：(1)驅(qū)動(dòng)力
，式中，Ttq為電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，i0為主減速器速比，為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率，rd為車輪滾動(dòng)半徑。(2)滾動(dòng)阻力：
，式中，m為汽車計(jì)算載荷工況下的質(zhì)量；g為重力加速度，f為滾動(dòng)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(jì)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(yàn)質(zhì)量，
為汽車行駛加速度。(6)汽車速度與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：
式中，ua為汽車行駛速度；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；i0為主減速器速比，rd為車輪滾動(dòng)半徑。根據(jù)上述公式，我們還可以計(jì)算出汽車在任意電機(jī)轉(zhuǎn)速下的驅(qū)動(dòng)力、行駛阻力。
2.3 電機(jī)選型計(jì)算
2.3.1 計(jì)算電機(jī)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(jī)最高轉(zhuǎn)速計(jì)算如下：
經(jīng)計(jì)算
根據(jù)車輛最高車速需求，選型電機(jī)額定功率計(jì)算如下：
經(jīng)計(jì)算，
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果及出于冗余設(shè)計(jì)需求，取選型電機(jī)參數(shù)如下：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax＞5000rpm。
電機(jī)額定功率Pe＞18KW。峰值功率一般為額定功率的2倍。
2.3.2 計(jì)算電機(jī)最大扭矩
根據(jù)車輛最大爬坡度需求，選型電機(jī)最大扭矩計(jì)算如下：
經(jīng)計(jì)算，
出于冗余設(shè)計(jì)需求，選型電機(jī)扭矩Tmax＞350N.m。
2.3.3 選型電機(jī)參數(shù)
根據(jù)上述計(jì)算，選型電機(jī)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(jì)算
動(dòng)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(jì)算用基本參數(shù)列表
表2 計(jì)算及仿真分析后選型電機(jī)及電池參數(shù)
2.4.1 仿真工況
根據(jù)《GB/T 18386-2005電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)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(yàn)?zāi)茌^真實(shí)反映真實(shí)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(jī)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(jì)算，滿足180km續(xù)航需要41.67kW·h電量。
2.5 選型結(jié)果
經(jīng)計(jì)算及仿真分析后選型電機(jī)及電池參數(shù)如表2所示。
3 結(jié)論
經(jīng)過上述布置和計(jì)算校核，證明對(duì)電動(dòng)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(dòng)物流車性能要求，底盤結(jié)構(gòu)合理，并具有較大的擴(kuò)展性。作為對(duì)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(xiǎn)小的優(yōu)點(diǎn)，可以作為各汽車企業(yè)對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)車型進(jìn)行升級(jí)改造的基本思路。
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