不同动力系统对车辆的参数匹配及影响:纯电动城市客车的性能外文翻译资料

 2021-10-24 02:10

英语原文共 8 页

不同动力系统对车辆的参数匹配及影响:纯电动城市客车的性能

田少鹏,王洋,吴磊

(武汉理工大学)

【摘要】:动态和经济性能在车辆评价指标中起着重要作用,也是设计过程中考虑的关键部分。本文将动力总成参数匹配方法应用于一个纯电动城市客车(PECB),设计了四速传动系统。同时引入两种动力总成型号,采用具有相同峰值功率但不同的基本速度和峰值扭矩以及双速变速器或不带变速器的电机进行比较,以分析较小的电机是否性能更好。这三种型号基于相同类型的总线。然后根据动力总成参数,分别建立三种总线模型的仿真模型。从仿真结果可以看出,四速变速器动力总成的车辆性能,尤其是经济性能,与其他两种车辆的性能进行了比较。结果表明,四速动力系统是三种类型中最优的。为了进一步测试四速动力系统并证明其优越性,它被装载到实际总线上以收集性能数据。经过对所得数据的分析,四速动力总成具有良好的性能。因此,证明了与具有更多齿轮的变速器耦合的较小电动机的动力系形式在PECB的节能方面更有效。

1 介绍

由于对全球环保问题越来越重视,纯电动城市客车(PECB)的发展具有很高的价值。公交车大部分时间都在拥挤的城市道路上行驶,因此在充分动态性能的前提下,经济性能显得尤为重要[1]。典型的PECB通常由最终驱动器直接驱动,该驱动器与具有高最大扭矩的驱动电机相匹配。这种动力总成形式需要大尺寸的电动机,与小型电动机相比,这增加了成本并使电流更强。本文介绍了一种PECB动力总成参数匹配方法,并根据总线的基本数据,设计了一种电机相对较小的四速变速器动力总成。为了探索这种动力传动系统的性能,另外两个动力传动系统基于相同的壳体总线,具有相同的峰值功率,但采用不同的基本速度和峰值扭矩与双速变速器或无变速器相结合,以此来用于比较。通过AVL-CRUISE对这三种动力总成进行了仿真,结果表明四速动力总成的性能是三者中最优的。然后,将四速动力传动系统加载到实际总线上,以进一步验证其性能。虽然由于某些实际情况,所收集的数据与模拟结果略有不同,但该动力总成系统在经济性能方面仍然是优秀的。

2 总线基本参数和设计目标

总线的基本参数如下表1所示。这些参数用于后面提到的AVL-CRUISE模型。

该PECB的设计目标如表2所示。通过这些目标,可以验证匹配的动力系统是否满足要求。

3 动力总成的参数匹配

3.1 驱动电机的参数匹配

驱动电机是PECB的重要组成部分。电机的主要参数包括最大功率和额定功率,最大速度和额定速度,最大扭矩和额定扭矩。

3.1.1 最大功率

首先,最大功率需要大于或等于公路在没有坡度的情况下在最大速度下以最大速度运行的功率需求[2]。 因此,最大功率P可以根据最大速度确定如下:

其中,eta;t是整个动力总成的效率,f是滚动阻力系数。 u max是车辆的最大速度,Cd是阻力系数,A是前方区域。

其次,车辆的最高等级能力是需要考虑的不可或缺的因素。最大功率P₂由最大等级能力决定如下:

其中,ui是爬坡时的速度,@max是爬坡的最大坡度。

第三,动态源的最大功率通常由加速性能决定。对于PECB,加速时间过长会拖累总线的运行周期甚至阻塞流量。然而,由于加速度太快,会减少乘客的舒适度。加速过程中的总线速度可以描述如下:

其中Vs、Ts是终端速度和加速时间,x是匹配系数,其值通常为0.5。

加速度的需求功率P₃可表示如下:

其中Ua是车速,delta;是旋转质量的校正系数,du / dt是加速度。

应用上述两个公式,最大功率P₃如下所示:

最终的最大功率Pmax应该大于P₁、P₂、P₃因此:

3.1.2 额定功率

通常,PECB上匹配的电机最大功率是其额定功率的两倍或三倍。因此,额定功率可以通过以下方法确定[4]:

其中Pe是额定功率,alpha;是通常为2到3的倍数。

此外,驱动电机的实际工作点应尽可能接近额定功率。 这意味着所选的额定功率更好地接近中国城市驾驶循环(CUDC)的平均需求功率。

3.1.3电机速度

不同的速度导致不同的制造技术和精度要求。目前,电机可根据速度分为三种类型[5]:1。低速电机,其速度范围为3000-6000r / min。2.中速电机,转速范围6000-10000r / min。3.高速电机,转速范围10000r / min以上。与低速电机相比,另外两种电机需要高成本和复杂的制造工艺。此外,他们对匹配的轴承提出了很高的要求,这将增加在超速运行时的机械损失。因此,在本文中,选择了低速电动机。

最大电机速度应满足车辆最大速度的要求,如下所示:

其中Nmax是最大电动机速度,i0是最终传动比,igmin是传动的最小传动比,r是车轮的半径。

额定转速ne,可通过以下公式计算:

其中beta;是一个通常为2到4的系数。

3.1.4额定和最大扭矩

额定转矩可根据额定功率Pe和转速ne[6]计算:

最大扭矩Tmax可以通过下面公式确定,电机过载系数lambda;的值通常为2到3:

3.2电池组的参数匹配

电池组是另一个在PECB中提供能量的重要组件。 本文选择具有高能量密度的锂电池来组装电池组。 根据国际惯例,电池组的电压固定为538V。为了保护电池和延长寿命,在匹配计算中将SOC(充电状态)上限和下限设定为90%和10%。 此外,假设在40km / h的恒定速度下的巡航过程没有风阻和加速阻力。 要求的驱动力Ft可以通过以下公式计算:

其中Vc是巡航速度。

要求的工作定义如下:

其中s是续航里程。

所需的电池数量可以通过[7]计算:

其中Ub,Cb是单个电池的电压和容量,DOD是放电深度,这里是80%。

4 参数匹配的结果

参数匹配的结果如表3,表4所示。

根据电机的匹配参数,实际使用的四速电机选自JJE,其参数如表5所示。

5 基于AVL-CRUISE的总线建模与仿真

AVL-CRUISE通常用于传动系和发动机开发,以计算和模拟动态性能和燃料消耗。 由于其结构化的接口和先进的模块化概念,AVL-CRUISE已成为各种车辆的参数匹配和系统集成工具。

5.1车辆模型的建立

根据上表1,表3,表4中提到的基本和匹配参数,建立了PECB模型,如图1所示。该模型主要包含驱动电机,电池,变速器,轮胎等模块。

5.2 中国城市驾驶循环(CUDC)下的仿真结果

选择CUDC作为其接近中国市区交通状况的模拟周期。CUDC的总里程为5.89km,持续1314s,车速最高可达60km / h,平均最高可达16km / h,如图2所示。

SOC的实时状态如下图3所示.SOC的总体趋势是下降,部分上升是再生制动系统的影响。 在本文中,驱动电机的最大再生能力有限,为400Nm。在CUDC开始时,SOC的初始值设定为90%作为上限。 在CUDC结束时,该值降至88.03%。 也就是说,耗电量为70.18kWh / 100km,再生制动系统也参与其中。

5.2.1 全负荷加速的仿真结果

在中国的规定中,在满载条件下测量总线的最大速度和加速时间。如图4所示,该总线的最大速度约为104km / h。从0-50公里/小时,公交车需要19.2秒,这符合要求。

5.2.2 最高等级能力的模拟结果

最高等级能力是车辆动态性能的关键指标。如图5所示,在第一档下满载时的最大等级能力约为22%。即使速度达到10km/ h,等级能力也在20.7%左右,符合要求。

5.2.3 耐力里程模拟

AVL-CRUISE没有针对续航里程的计算任务,因此在AVL-CRUISE中输入一个恒定的40km / h循环来模拟续航里程。 结果如图6所示。当耐力里程达到250km时。 SOC值降低至10%左右,这符合于放电深度和设计要求。

6 直驱和双速总线的比较

为了弄清楚小电机和多速变速器的四速动力系统能否提高PECB的耗电水平,建立直接驱动和双速总线模型,以便在类似动态性能的前提下进行比较。三种母线型号的电机具有相同的峰值功率,但峰值转矩和基本速度不同,如表6所示。

直接驱动,双速和四速的基本速度增加梯度,而峰值扭矩在梯度上减小,以获得类似的动态性能。因为直接驱动和双速总线基于与四速总线相同的总线,并且它们的动力总成效率略有不同,两个比较总线在动力系统效率方面与四速总线保持一致[8]。

建立三种总线模型以通过AVL-CRUISE进行模拟。在三种公交车型中,车辆性能模拟负载的状况,所有驱动电机限制为400Nm的最大再生能力。双速电机选自JJE,直驱电机选自BROAD-OCEAN EV。为了更好的能源经济性,有必要在效率图中控制高效区域内部或周围的电机工作点。因此,双速和四速变速器根据电机的速度覆盖高效率区域。为了平衡变量的一致性,对于双速和四速总线,选择升档和降档之间的速度范围相同。从两个电机的效率图中可以看出,超过88%的高效率覆盖了1000-2000r / min的速度范围。因此,选择1000-2000r / min作为双速和四速电机的换档速度范围。对于升档,换档点设定为2000r / min,而降档则设定为1000r / min。四速总线采用第二档作为起动档,在爬坡时应用第一档。模拟结果如表7所示。

从表7可以看出,三辆公交车的动力性能相当接近。 在这个前提下,三种动力总成之间的能源经济比较是有意义的[9]。值得注意的并且可以明显发现的增益是四速的电力消耗相当于直接驱动总线的29.4%和21.3%的双速总线。 这是因为较小的电动机比其他电动机消耗更少的能量。此外,即使四速动力传动系统增加了传动成本,四速总线的电机也可以通过更小的扭矩减小尺寸,从而减小体积和质量,从而降低电机的制造成本很大。

三条总线上三个驱动电机的工作点分别如图7,图8和图9所示。三个电机在效率曲线和外部特性曲线上有所区别。

直驱电机大多数时间不能在最高效率区域运行。 这是因为在CUDC中,所需的大多数功率点保持在较低水平,而高效率区域分布在高功率输出上。 双速和四速总线电机在工作点分配方面表现更好。 高效率区域内的点占很大比例的原因是CUDC中所需的功率点与高效率区域中的功率点大体上一致。 很明显,四速总线电机的最大效率范围超过90%,从1000r / min到2000r / min,电机运行频率更高。

图10给出了三种总线上不同效率范围内驱动电机的工作点频率。 在三辆公交车的横向比较中,四速公交车在高效率区域运行超过90%,其中最大百分比远远超过其他两条。这就是为什么四速总线可以在同一个CUDC上消耗更少的功率。

7 用四速动力总成加载真实公交车道路试验

本文表明,在动态性能与直接驱动和双速总线相比的情况下,四速总线在能耗方面表现良好。为了进一步证明其优越性,匹配的组件被加载到实际总线上以在道路上进行测试并收集实际数据。总线如图11所示。

车辆性能的实际表现如下表8所示。

除了电力消耗之外,实际车辆性能相对接近但略低于模拟结果。在AVL-CRUISE模型中,该总线的附件功率设置为所需功率的10%,但在实际测试中,百分比更大,这导致输出到动力系的功率更低,动态性能比模拟更差结果。 这是可以接受的,因为理论结果总是与实际测试数据不同。

如图12所示,在巴士满载的情况下,我们将在武汉的固定城市路线上行驶。为了确保获得的数据尽可能准确,该测试采用两次CUDC。

CUDC中的车速和频率如图13所示,均来自实际数据。由于城市道路拥堵,大部分时间的实际速度低于40km / h。

电机速度频率的直方图显示了每个速度范围内工作点的百分比,如图14所示。由于频繁启动和停止的特性,0-200r / min速度范围占所有速度范围的最大部分。此外,电机在1000r / min和1800r / min之间运行,占42.96%的百分比,在效率图上的最高效率区域内工作。

如图15所示,电流均低于200A,大多数集中在0-50A的间隔。图16可以更直观地用车速表示电流分布。大多数时候,公交车以40km / h的速度运行,电流低于50A。一方面,由于速度较慢,这条城市道路所需的大部分功率不高。 另一方面,较小的电流导致较少的铜损,并且有利于电动机的效率。

其他道路试验数据如表9所示。实际平均和最大车速接近于CUDC。 在两次CUDC循环后,SOC值从90.4%降至85.6%。 通过转换计算,耗电量约为85.50kWh / 100km,略高于模拟。许多方面可能导致这种差异。道路表面,驾驶员行为和交通状况变得多变,在实际测试中并不理想。此外,发动机,电动机和电气设备等部件的能量损失超出了仿真软件可以估算的范围。然而,这种电力消耗水平仍然可以提前并超过目前市场上的公共汽车的平均水平。

8 结论

本文介绍了一种通过PECB多速动力传动系统的参数匹配方法,通过减小驱动电机的尺寸来减少电力消耗的方法。配备四速动力总成,并通过模型建立参与AVL-CRUISE预测性能。为了探讨本文中四速动力总成的动态性和经济性,本文介绍了两种相同的案例研究总线,分别采用直动式和双速动力总成进行比较。在类似动态性能的前提下进行比较后,驱动电机的尺寸和齿轮数量在很

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