纯电动物流车的底盘布置及动力匹配计算
随着国家政策导向及电子商务的快速发展,纯电动物流车发展迅猛。本文选择2.5t纯电动物流车底盘做开发研究,之所以选择这种轻型底盘,是因为该底盘在市场应用广泛,使用成本较低,可扩展为其它专用车。以下对这类电动物流车进行底盘布置,并进行匹配校核计算。
1 底盘布置方案
1.1 总体描述
根据三电系统的需求,在传统平台的基础上进行设计、修改部分子系统,保持底盘框架不变,制动系统、转向系统、悬架系统、传动系统等在保持工作原理不变的前提下做相应的设计调整。
(1)底盘平台:沿用现有车型平台的底盘构架,即车架不做大的变动、底盘子系统工作原理不变。采用中置后驱,大扭矩电机直驱方案,简化系统,降低质量。
(2)底盘子系统:对制动系统、转向系统、传动系统进行重新匹配和调整:增加电动真空泵为其提供真空源,相应管路等零部件需要更改;转向助力改为电动助力转向系统;传动系统根据新的布置重新设计。各子系统零部件设计完成之后,根据总布置结果与零部件数模设计支架。
(3)悬架系统:整车的质量与载荷分配变化,需对悬架参数做出相应调整。
(4)制动系统:前后轴荷分布的变化,制动力需要重新调整。尽量沿用原制动系统方案,对各种载荷状态下所需制动力进行分析和计算,并通过样车试验进行验证。
1.2 布置方案
常规布置方案一般采用动力中置后轮驱动,这种方案将电控系统布置在驾驶室下方原发动机位置,将电机布置在原变速箱位置,动力电池包布置在车架两侧,其他系统沿用传统车底盘。
它的优点是技术难度小,开发周期短,成本投入小,电池在外侧,可维护性较好。市场上此类车型大都采用这种方案。但该方案缺点也明显:动力电池布置在车架两侧,侧面碰撞和刺破风险较高,需要设计防护装置;电池布置在整车中部,导致后桥轴荷状态进一步恶化,同时影响到制动性能;从扩展性来说,动力电池的位置也会对上装设备带来较大影响。
经过理论计算、样车试制和试验,发现后轴荷偏大问题始终无法解决,进而导致制动性能无法满足法规需求,为此提出新的布置方案如图1所示。
本方案将动力电池包布置在原发动机位置,其后布置驱动电机和控制系统。动力电池包靠前桥布置:空载时,前、后桥载荷比接近5∶5,前后桥制动力分配简单,制动时整车姿态稳定;满载时,前、后桥载荷比接近2∶3,载荷分布均衡,制动力分配合理,配合防抱死系统的控制和调节,整车制动性能良好。
2 动力匹配计算
根据设计方案确定整车参数和性能指标要求,通过分析计算,确定满足目标性能的动力系统参数。
2.1 驱动电机参数计算
计算用基本参数列表如表1。
表1参数取值说明:
(1)迎风面积A:根据车身及各种附件的数模投影计算出:A=2.3925m2
(2)滚动阻力系数f:采用推荐的货车轮胎在良好路面上的滚动阻力系数经验公式,式中,ua为行驶速度。
(3)动力传动系统机械效率根据动力传动系统具体结构为传动轴万向节的传动效率,取97%;为主减速器传动效率,取95%,可得=97%×95%=92%。
2.2 动力性能分析计算
主要依据汽车驱动力和行驶阻力之间的平衡关系,平衡方程为:,式中,Ft为驱动力,Ff为滚动阻力,Fw为空气阻力,Fi为坡道阻力,Fj为加速阻力。在电机转速特性、传动系统传动比及效率、车轮半径、空气阻力系数、迎风面积以及汽车的质量等确定后,便可确定汽车的驱动力-行驶阻力平衡关系。上述驱动力和行驶阻力的计算方法如下:
(1)驱动力,式中,Ttq为电机的输出转矩,i0为主减速器速比,为动力传动系统机械效率,rd为车轮滚动半径。
(2)滚动阻力:,式中,m为汽车计算载荷工况下的质量;g为重力加速度,f为滚动阻力系数;α为道路坡角。
(3)空气阻力:,式中,CD为空气阻力系数,A为迎风面积,ua为汽车行驶速度。
(4)坡道阻力:,式中,m为计算载荷工况下汽车的质量,g为重力加速度,α为道路坡角。
(5)加速阻力:,式中,δ为旋转质量换算系数,此处取1.15;m为法规试验质量,为汽车行驶加速度。
(6)汽车速度与电机转速之间的关系:式中,ua为汽车行驶速度;n为电机转速;i0为主减速器速比,rd为车轮滚动半径。
根据上述公式,我们还可以计算出汽车在任意电机转速下的驱动力、行驶阻力。
2.3 电机选型计算
2.3.1 计算电机最高转速及额定功率
根据车辆最高车速需求,选型电机最高转速计算如下:
经计算
根据车辆最高车速需求,选型电机额定功率计算如下:
经计算,
根据以上计算结果及出于冗余设计需求,取选型电机参数如下:电机最高转速nmax>5000rpm。
电机额定功率Pe>18KW。峰值功率一般为额定功率的2倍。
2.3.2 计算电机最大扭矩
根据车辆最大爬坡度需求,选型电机最大扭矩计算如下:
经计算,
出于冗余设计需求,选型电机扭矩Tmax>350N.m。
2.3.3 选型电机参数
根据上述计算,选型电机参数如下:额定功率(30kw),最高功率(60kW),最高转速(6000rpm)峰值扭矩(350N·m)。
2.4 电池容量计算
动力电池包选用锂离子电池组成,经串、并联组合成电池组,配套电源管理系统(BMS)和其他附件打包而成,电池系统放电效率估算为99%。
表1 计算用基本参数列表
表2 计算及仿真分析后选型电机及电池参数
2.4.1 仿真工况
根据《GB/T 18386-2005电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》,一次完整工况循环包括4次市区工况及一次郊区工况循环,采用该工况试验能较真实反映真实情况下行车的功耗。
2.4.2 模型搭建
根据整车参数和选型电机参数,使用M AT L A B/Simulink系统搭建仿真模型,经仿真计算,满足180km续航需要41.67kW·h电量。
2.5 选型结果
经计算及仿真分析后选型电机及电池参数如表2所示。
3 结论
经过上述布置和计算校核,证明对电动车结构改型的开发是可行的。本方案选择的三电系统能满足2.5t纯电动物流车性能要求,底盘结构合理,并具有较大的扩展性。作为对原有方案的创新,这套方案依旧延续了开发周期短、技术风险小的优点,可以作为各汽车企业对现有电动车型进行升级改造的基本思路。
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