純電動(dòng)教練車動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

席加豪，蹇小平，康淑秀，馮 鎮(zhèn)，岳近春，成振坤

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

駕駛培訓(xùn)行業(yè)是交通運(yùn)輸行業(yè)的重要組成部分，既是資源占有型行業(yè)又是能源消耗型行業(yè)，并且對(duì)環(huán)境產(chǎn)生很大的危害，因此，將駕校的燃油教練車改制成電動(dòng)教練車有著很大的實(shí)用意義和經(jīng)濟(jì)意義。

本文是在桑塔納轎車的基礎(chǔ)上，試制一輛純電動(dòng)教練車并對(duì)其進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，使試制的電動(dòng)教練車滿足駕校訓(xùn)練的要求。開發(fā)純電動(dòng)教練車對(duì)減少城市尾氣排放，促進(jìn)駕校行業(yè)的節(jié)能減排有著重要而深遠(yuǎn)的意義。

1 電動(dòng)教練車動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

1.1 電動(dòng)教練車方案論證

驅(qū)動(dòng)電機(jī)將動(dòng)力傳遞到車輪有很多不同的方式，本文要試制一輛電動(dòng)教練車，因此選取的是最傳統(tǒng)的動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)，用電動(dòng)機(jī)代替燃油教練車的發(fā)動(dòng)機(jī)，保留離合器、變速器、差速器等傳統(tǒng)部件，如圖1所示。

電動(dòng)機(jī)與離合器之間的動(dòng)力傳遞共有兩種方案：①電動(dòng)機(jī)與離合器通過鏈條連接。優(yōu)點(diǎn)：同軸度要求不高，安裝與拆卸簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：傳動(dòng)效率低。②電動(dòng)機(jī)與離合器通過法蘭直連。優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小；缺點(diǎn)：同軸度要求高，安裝與拆卸復(fù)雜。通過以上對(duì)比分析，決定采用直連的方式［1］。

1.2 電動(dòng)教練車的動(dòng)力性要求

根據(jù)駕校燃油教練車的場(chǎng)地特點(diǎn)和運(yùn)行工況，確定純電動(dòng)教練車的動(dòng)力性指標(biāo)如下：①最高車速為60km／h；②最大爬坡度為15%；③必須能達(dá)到每天8h的工作時(shí)間，并且滿足一天80km續(xù)駛里程要求。

1.3 電動(dòng)機(jī)的功率

無論是傳統(tǒng)的燃油汽車還是電動(dòng)汽車，整車總功率的匹配原則是相似的，即根據(jù)整車的動(dòng)力性（最高車速、最大加速度、最大爬坡度）來確定電動(dòng)機(jī)的功率［2］。

電動(dòng)汽車的功率計(jì)算公式為

當(dāng)電動(dòng)教練車以最高車速vmax行駛時(shí)，此時(shí)汽車的加速度與爬坡度可以忽略不計(jì)，即

式中： cosα≈1。

當(dāng)電動(dòng)教練車以車速v爬αmax的坡度時(shí)，此時(shí)車輛加速度可以忽略不計(jì)，即

根據(jù)電動(dòng)教練車的運(yùn)行工況，對(duì)車輛的加速時(shí)間不予考慮。電動(dòng)機(jī)的最大功率Pmax應(yīng)取Pmax1、Pmax2中最大的一個(gè)， 即Pmax≥max{Pmax1、Pmax2}。

1.4 電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速

式中：im——車輛最高檔傳動(dòng)比；i0——車輛主減速器傳動(dòng)比；r——車輪的滾動(dòng)半徑。

1.5 電動(dòng)教練車電動(dòng)機(jī)的選擇

本設(shè)計(jì)是在桑塔納2000GLS轎車的基礎(chǔ)上試制一輛純電動(dòng)教練車，桑塔納轎車的主要參數(shù)［4］如表1、表2所示。

表1 桑塔納2000GLS整車參數(shù)表

表2 桑塔納2000GLS變速器與主減速器傳動(dòng)比參數(shù)表

1.5.1 電動(dòng)教練車電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算

電動(dòng)教練車的一些基本參數(shù)：整車整備質(zhì)量m1=1 400 kg（整車整備質(zhì)量包括：車輛本身的質(zhì)量、電池的質(zhì)量和電池架子的質(zhì)量），整車總質(zhì)量m2=1750kg（整車總質(zhì)量是整車整備質(zhì)量與乘員質(zhì)量之和。乘員按1人70kg，車乘5人，即350kg），滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.019，傳動(dòng)系的機(jī)械效率ηT=0.95×0.96=0.912，空氣阻力系數(shù)CD=0.37，迎風(fēng)面積A=B×H=1.414×1.423=2.01m2， 車輪的滾動(dòng)半徑r=0.2946m。

當(dāng)電動(dòng)教練車以最高車速vmax=60 km／h行駛時(shí)，根據(jù)公式 （2）， 得功率Pmax1=8.3kW。

當(dāng)電動(dòng)教練車以平均車速v平均=10km／h爬tanα=15%的坡度時(shí)，根據(jù)公式 （3），得功率Pmax2=8.8kW。

本設(shè)計(jì)中加速性能不予考慮，電動(dòng)機(jī)的峰值功率Pmax=max{Pmax1、Pmax2}=8.8kW。

1.5.2 電動(dòng)教練車電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算

本文所設(shè)計(jì)的電動(dòng)教練車有5個(gè)檔位，根據(jù)公式 （4）得出各檔位下的轉(zhuǎn)速如表3所示。

表3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)在各個(gè)檔位下的轉(zhuǎn)速

由表3可知，當(dāng)電動(dòng)教練車車速達(dá)到60km／h時(shí)，電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速為1778r／min。

1.5.3 電動(dòng)機(jī)的選擇

根據(jù)上述計(jì)算，選定電動(dòng)機(jī)的最大功率10kW，轉(zhuǎn)速在2000r／min左右。通過資料查詢與市場(chǎng)調(diào)研，參照所計(jì)算的電動(dòng)機(jī)參數(shù)，選擇淄博休普電機(jī)電器有限公司生產(chǎn)的有刷直流電動(dòng)機(jī)ZC／T8.5B-72C2r，電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：①額定電壓72V；②額定功率8.5kW；③額定電流147A；④額定轉(zhuǎn)速2000r／min；⑤最高轉(zhuǎn)速4000r／min；⑥勵(lì)磁方式為串勵(lì)。

1.6 動(dòng)力蓄電池參數(shù)計(jì)算

對(duì)于該電動(dòng)教練車，電池參數(shù)的匹配一般要滿足系統(tǒng)的電壓等級(jí)、能量要求、功率要求、最大充放電電流限制等多方面因素，更重要的是電池的容量要滿足電動(dòng)教練車?yán)m(xù)駛里程的要求。

電動(dòng)教練車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的額定電壓決定蓄電池組的電壓，蓄電池組中電池的數(shù)目應(yīng)該滿足純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程與動(dòng)力性要求。動(dòng)力電池組通過單體串聯(lián)的方式給電動(dòng)機(jī)供電，必須要滿足電動(dòng)教練車一天工作8h的要求。

電池能量的計(jì)算公式為

式中：Wess——電池組的實(shí)際能量，kWh；Uess——電池組的平均工作電壓，V；C——電池塊的容量，Ah。

電動(dòng)教練車行駛里程S所需的能量，可以通過下式計(jì)算。假定汽車以v平均速度行駛，即

式中：P——電動(dòng)教練車以純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)所需的功率，kW；Wroad——電動(dòng)教練車以純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)行駛里程S所需的負(fù)載能量。

電動(dòng)教練車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的額定電壓為72 V，因此蓄電池組的電壓也為72 V。在科目2的訓(xùn)練中，平均車速為13 km／h。將v=13 km／h代入公式 （6），得P=1.31kW，因?yàn)殡妱?dòng)教練車要滿足一天工作8h，所以根據(jù)公式 （7） 得Wroad=10.5 kWh， 電池的能量Wess=10.5 kWh。電池組的平均工作電壓為60 V，根據(jù)公式 （5），得到電池的容量C≥175 Ah。經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研與篩選，選取淄博明泰電器科技有限公司生產(chǎn)的鉛酸蓄電池，型號(hào)為4-D-180，電池參數(shù)為：①電池容量180Ah；②注液后的質(zhì)量39kg；③總電壓72 V；④單節(jié)電壓8V；⑤外形尺寸258×182×340 mm；⑥電池節(jié)數(shù)9節(jié)。

2 電動(dòng)教練車實(shí)車試驗(yàn)

將所選的電動(dòng)機(jī)、電池及控制器等元件裝車后，在長(zhǎng)安大學(xué)駕校訓(xùn)練場(chǎng)進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，模擬燃油教練車的運(yùn)行工況。試驗(yàn)主要分為兩部分：①進(jìn)行倒庫(kù)移庫(kù)試驗(yàn)；②進(jìn)行駕校場(chǎng)地試驗(yàn)。

2.1 倒庫(kù)移庫(kù)試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器主要包括密度計(jì)、氣溫計(jì)、氣壓表、電度表、風(fēng)速儀及秒表等。

2.1.2 測(cè)量電度

將桑塔納電動(dòng)教練車完全放電，然后用充電器充滿電，在充電過程中用電度表測(cè)量耗電度數(shù)：充電時(shí)間10h， 耗電15.3度。

2.1.3 倒庫(kù)移庫(kù)試驗(yàn)過程

1）在駕校訓(xùn)練場(chǎng)上進(jìn)行，將改裝后的桑塔納2000GLS電動(dòng)教練車加載到1500kg左右，本試驗(yàn)車上坐1個(gè)人即可。

2）加載完成后，使車輛以10km以下的速度進(jìn)行倒庫(kù)移庫(kù)試驗(yàn)。在車輛倒庫(kù)移庫(kù)過程中，可通過踏板來調(diào)節(jié)車輛的速度，以保證試驗(yàn)車輛能順利地完成倒庫(kù)移庫(kù)，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3）在試驗(yàn)過程中，每小時(shí)測(cè)一次密度ρ，記錄試驗(yàn)時(shí)間，直到電量耗完。試驗(yàn)結(jié)束，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 電動(dòng)教練車倒庫(kù)移庫(kù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4）在試驗(yàn)過程中，每小時(shí)測(cè)一次電池溫度、控制器溫度，直到電量耗完，試驗(yàn)結(jié)束。

5）做出密度與時(shí)間關(guān)系曲線見圖2。

由圖2可知本設(shè)計(jì)的電動(dòng)教練車有怠速，在模擬倒庫(kù)移庫(kù)試驗(yàn)中，一共工作了20h左右，完全滿足電動(dòng)教練車一天工作8h的要求。

2.2 駕校場(chǎng)地小路考試驗(yàn)

以下是駕校場(chǎng)地小路考試驗(yàn)的部分圖片及數(shù)據(jù)，見圖3及表5。在駕校訓(xùn)練場(chǎng)，多次進(jìn)行小路考試驗(yàn)，主要內(nèi)容包括百米加減檔、通過連續(xù)障礙（圓餅路）、過單邊橋、直角轉(zhuǎn)彎、側(cè)方停車、限速穿過限寬門 （過龍門）、曲線行駛 （S彎道）、起伏路駕駛、坡道定點(diǎn)停車與起步。

表5 電動(dòng)教練車駕校場(chǎng)地試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在模擬駕校場(chǎng)地訓(xùn)練，通過連續(xù)的多次試驗(yàn)，一共工作了10h，續(xù)駛里程達(dá)到85km，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)地提出了電動(dòng)教練車各動(dòng)力總成參數(shù)的設(shè)計(jì)原則，對(duì)汽車進(jìn)行了改裝設(shè)計(jì)，完成了電動(dòng)教練車的整車動(dòng)力系統(tǒng)匹配，并在長(zhǎng)安大學(xué)駕校進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的電動(dòng)教練車滿足現(xiàn)在駕校的訓(xùn)練要求，同時(shí)又可以滿足汽車經(jīng)濟(jì)性的需要，可以在現(xiàn)在的駕校中推廣使用。

［1］馮鎮(zhèn).小型電動(dòng)場(chǎng)地教練車動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)與仿真研究［D］.長(zhǎng)安大學(xué)， 2010： 1-10.

［2］陳全世.先進(jìn)電動(dòng)汽車技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007： 200-219.

［3］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：79-83.

［4］何耀華，張克勤.圖解桑塔納轎車構(gòu)造與檢修［M］.福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社，2000：1-13.

［5］曾小華，王慶年，王偉華.某純電動(dòng)中巴汽車的整車系統(tǒng)設(shè)計(jì)［C］／／陳全世，信繼欣，孫力.2007中國(guó)電動(dòng)車輛研究與開發(fā).北京：北京理工大學(xué)出版社，2007：18-27.