五檔變速箱電動物流車動力系統設計

蘇建華　劉延濤　鹿森

【摘 要】電動物流車運營需求多樣，工況復雜多變。為提高整車的動力性與經濟性，論文采用五檔變速箱電動物流車工程設計理念，通過理論計算確定動力系統關鍵部件的參數，建立五檔變速箱后驅型車輛模型、核心部件模型及參數文件，仿真驗證車輛動力系統設計的合理性，最后，開發了一臺五檔變速箱電動物流車，試驗表明仿真結果與實際性能相一致。

【Abstract】The demand for electric logistics vehicles is diverse， and the working conditions are complicated and changeable. In order to improve the power performance and the economical efficiency， this paper adopts the desigh idea of five-speed gearbox of electric logistics vehicles. Through the theoretical calculation to determine parameters of the power system， then establishes the rear drive vehicle model with five-speed gearbox， the key components model and the parameters files， then verifies the rationality of vehicle power system design by simulation. Finally， a five-speed gearbox of electric logistics vehicle is developed. The experimental results show that the simulation results are in good agreement with the actual performance

【關鍵詞】物流工程；五檔變速箱；仿真驗證；動力系統；車輛模型

【Keywords】logistics engineering； five-speed gearbox； simulation verification； power system； vehicle model

【中圖分類號】U469.7 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）07-0158-04

1 引言

新能源汽車作為戰略新興產業，備受各層面關注。政府部門更是通過一系列政策、規定與措施，大力鼓勵、支持技術與產業發展。當前，新能源汽車領域重點圍繞電池、控制、整車集成、產業與運營管理等幾個方面開展研究，涌現了豐碩的成果，推動了我國新能源汽車技術的進步與產業的發展。如，畢軍等[1]依據電動汽車行駛里程與電池SOC的相關性，采用遞推最小二乘法對建立模型參數進行辨識，提高預測行駛里程的準確度。趙軒等[2]為合理確定純電動客車的復合制動系統制動力分配比例，提出了基于制動駕駛意圖辨識的復合制動控制策略，仿真結果表明在保證安全的前提下最大限度地回收了制動能量。谷靖等[3]圍繞電動汽車的系統構型與關鍵參數設計問題，通過仿真驗證了整車性能設計的合理性。彭濤等[4]針對并聯混合動力電動汽車，提出了用工程分析與仿真校驗相結合方法，完成車輛主要參數匹配。畢軍等[5]為實現電動汽車的有效運行管理，設計了運行監控與統計分析系統，并通過試運營，較好地實現了車輛的實時監控和運行性能的分析。

從事配送領域的電動物流車因運營成本低廉、可集中運營等優勢，更是受到生產企業的青睞，發展勢頭蓬勃。電動物流車運營范圍覆蓋城郊和市區，行駛路況多樣、載貨量重且差異大，要求車輛必須具備加速快、運行速度高、爬坡能力強和高效調速范圍寬等能力，對車輛整體性能指標設計提出了較高要求。本文在車輛設計初始條件及五檔變速箱選配的基礎上，對驅動電機和動力電池參數進行理論計算與選配，建立車輛模型與部件模型及參數文件，對車輛進行仿真分析，最后通過開發實例驗證五檔變速箱在電動物流車工程應用上的可行性與優勢。

2 車輛設計初始條件

2.1 初始輸入

當前，因全新車輛開發費用高，電動物流車研究通常是從某一成熟的常規物流車車型出發，對其動力系統進行改造或重新設計。初始輸入條件需要從原車型和設計目標進行確定，且需要預先估計滿載質量。車輛和行駛參數如表1所示。

2.2 整車性能參數

結合GB/T 28382-2012、GB/T 1332-1991和QC/T 252-1998等的規定和要求，純電動物流車動力性能參數要求如表2所示。

2.3 變速箱選配

車輛設置變速箱的主要目的為適合車輛行駛阻力變化，按需改變扭矩與轉速，實現空擋及前進、倒退。電動物流車運營活動主要集中在市區和近郊，遇到的工況多種多樣，最低穩定行駛車速為3～6km/h，最高車速可達100km/h，甚至更高。行駛過程所遇到的阻力變化可在6倍以上，存在起動電流大、爬坡無力、高速加不上、耗電量大，易造成電機、電池組及控制器損壞，安裝變速箱非常必要。變速箱可使電機經常保持在高效率的工作范圍內，提高工況適應性和使用效率，減輕電機和動力電池組的負荷，提高了電動汽車的整體能耗經濟性。

部分電動車輛裝配單檔變速箱，車輛始終用同一傳動比檔位，完成從起步到最高速的行駛，電機不能回到最佳扭矩輸出區間，再加速動力被大幅削弱，不利于車輛的經濟性與舒適性。且因大齒輪比，車輛巡航狀態下，電機長期處于較高的轉速臨界點運行，降低了動力的輸出效率，功耗較大。同時還存在著驅動電機發熱、噪聲、軸承壽命、齒輪加工精度高和成本高等諸多問題，固定速比變速箱不足以滿足電動物流車的最優工程設計需求。

多檔變速箱在電動汽車工程應用中具有可高效發揮電機運行特性、降低電機功率需求、增加續駛里程，降低車輛總成本、提升駕駛舒適性，擴大車輛的運營適應范圍等優勢，因此采用多檔變速箱是實現車輛性能的有效途徑。當前，在貨運物流車上普遍采用的五檔變速箱因可大大提高車輛的動力性能，整車匹配技術成熟，批量產品的成本優勢十分明顯，且駕乘人員習慣五檔的變檔位操作模式。綜合考慮市場成熟度、可靠性、成本等因素，本文選用某型號五檔變速箱，參數如表3所示。

3 參數設計

3.1 驅動電機計算與選配

驅動電機參數主要包括功率、扭矩、轉速等，依據最高車速、爬坡及加速性能進行計算。

3.1.1 電機功率計算

滿足電動汽車的最高車速情況下，電機應具備功率：

滿足電動汽車在爬坡性能工況下，電機所消耗功率：

滿足電動汽車在水平路面上加速行駛消耗功率：

式中：m為總質量；g為重力加速度；va為加速末速度；ta為加速時間；ηT為傳動系效率；f為滾動阻力系數；CD為空氣阻力系數；A為迎風面積；δ為轉動慣量系數，取1.05。由公式（1）、（2）和（3）得到所需的電機功率。

3.1.2 電機扭矩計算

最大轉矩Tmax應同時滿足起動轉矩和最大爬坡度的要求，并結合傳動系最大傳動比imax和最大爬坡度amax來確定。

式中：R為車輪滾動半徑；αmax為最大爬坡度；G為滿載車重；imax為傳動系最大減速比。由公式（4）得到所需電機的扭矩。

3.1.3電機轉速計算

電機最高轉速應滿足最高車速要求，依據給定減速比和最高車速下電機轉速計算公式：

式中：Vmax為最高車速；imax為最大減速比；由公式（5）得到所需的電機轉速。驅動電機參數如表4所示。

結合表4功率、扭矩和轉速需求，驅動電機選型如表5所示。

3.2 動力電池計算與選配

動力電池系統是純電動車輛的唯一能量來源，運用效能須優化，且決定車輛成本，因此必須進行慎重選配。

3.2.1最大輸出功率需要單體電池數目

電池輸出功率應滿足電動物流車行駛時所需最大功率要求。且電池滿電時能量必須大于或等于所需最大能量。

式中：Ppeak為電機峰值功率；ηm為電機效率；ηc為電機控制器效率；Cr為電池單體容量；Vr為單體電壓；ζsoc為電池有效放電容量，取70%；P鋪為輔助設備功耗，取1kW。

3.2.2 續駛里程需要單體電池數目

以30 km/h時速運行，核算續駛里程要求：

式中：LR為續駛里程；W1為電動汽車行駛1公里所消耗的能量，取0.2kWh/km。

3.2.3 動力電池選配

由公式（6）、（7），取單體電池數為45，即標稱電壓144V。動力電池選型如表6。

4 仿真與實例

4.1 模型設計與驗證

本文以ADVISOR2002平臺設計車輛仿真模型與部件參數文件。首先構建后驅動型車輛模型，其次建立車輛、動力電池、驅動電機、手動五檔變速箱、主減速器及車輪車橋等核心部件模型及參數文件，最后設置驅動配置文件，完成五檔變速箱電動物流車輸入設計。車輛模型與參數文件設計結果如圖1所示。

在CYC_UDDS城市道路循環工況下，五檔變速箱電動物流車仿真結果如圖2所示。由圖2可知，最高速度為111.4km/h，0～50km/h加速時間7.6s，16.1km/h爬坡度為20%。仿真結果顯示實際車速能很好地跟蹤循環工況速度。放電電流與荷電狀態變化的曲線表明，車輛在頻繁加減速的工作過程中動力電池電流的快速變化，并實現了能量回饋。整個驅動循環中電機輸出功率有正有負，負值表示電機工作在發電狀態。

4.2 開發實例

依據動力系統參數設計和仿真結果，對電機及其驅動器和動力電池等關鍵系統進行設計，完成車輛開發。最高車速試驗如圖3所示。由圖可見，最高車速為112.2km/h。

由試驗結果得在半載條件下，以30km/h的經濟時速開展跑車試驗，車輛續駛里程達185km。車輛爬坡度大于31.5%。可見開發的五檔變速箱電動物流車綜合運行效能較好，完全滿足設計要求。

5 結語

當前，電動汽車用多檔變速箱大多還處在研發階段，且成本高，還無法滿足電動汽車蓬勃發展的需求，采用成本較低、可靠性高，經過市場反復驗證的傳統多檔變速箱，無疑是比較明智的選擇。本文通過嚴密的理論計算，建立五檔變速箱后驅型車輛模型、部件模型及參數文件，對動力系統參數選配進行驗證，仿真結果表明滿足性能指標要求。最后，工程開發了一臺五檔變速箱電動物流車，試驗表明仿真設計結果與車輛實際性能相一致，且整體運行效能比高。

【參考文獻】

【1】畢軍，張家瑋，張棟，等.電動汽車行駛里程與電池SOC相關性分析與建模[J].交通運輸系統工程與信息，2015，15（1）：49-54.

【2】趙軒，馬建，汪貴平.基于制動駕駛意圖辨識的純電動客車復合制動控制策略[J].交通運輸工程學報，2014，14（4）：64-75.

【3】谷靖，歐陽明高，盧蘭光，等.微型純電動汽車的系統構型與關鍵參數設計[J].汽車工程，2013，35（1）：7-12.

【4】彭濤，陳全世，田光宇，等.并聯混合動力電動汽車動力系統的參數匹配[J].機械工程學報， 2003，39（2）：69-73.

【5】畢軍，關偉，申金升.電動汽車運行監控與統計分析系統的設計[J].交通運輸系統工程與信息，2005，5（1）：29-32.