某小型电动清扫车动力系统的设计与仿真分析研究

白刚

摘 要：文章根据一项研究课题对设计的一种小型电动清扫车的动力性进行了设计研究，对电动机以及电池参数进行了理论匹配设计，然后采用Advisor汽车动力仿真软件对其动力性进行了仿真分析，得到结果为：UDDS工况下，该电动清扫车在负载200kg的情况下以20km/h可匀速行驶35.5km，结果说明了匹配参数的合理性，并在此基础之上，通过在Advisor中修改参数的方式做了进一步优化，结果表明，通过减轻整车质量，缩减迎风面积，减小风阻系数等手段，可提高整车动力性能及续驶里程。

关键词：动力性；参数匹配；仿真分析；优化

1 概述

电动清扫车作为一种新兴的道路清扫工具，与传动燃油车相比具有能源来源广、节能环保等优势。但其动力性、续驶里程等问题制约了其在现实生活中的推广[1]。文章针对这样的问题，对某一小型电动清扫车动力系统进行设计研究，并通过动力仿真软件对其动力性进行仿真分析，并对相关的匹配参数进一步的优化，得出优化结论，为电动清扫车的动力系统设计研究提供一定的理论依据。

2 动力传动系统的参数匹配

动力传动系统参数的选择内容如下：合适的电动机参数、传动比和动力电池组的容量，目的是达到电动清扫车动力性及续驶里程的要求[2]。

2.1 设计要求

根据实际工况要求，该小型电动清扫车动力设计要求如表1所示：

表1 动力性要求

2.2 电动机参数选择

电动机作为电动清扫车的主要动力来源，其功率会直接影响到整车动力性能，大功率电机的加速性能、最大爬坡度都比较优良，但是其体积与质量也比较大，对于小型电动清扫车而言，其续驶里程就会受到影响[3]。文章选择直流电机作为动力系统驱动源，根据最高车速确定电机的最大功率Pmax1；根据整车以速度vi行驶的最大爬坡度确定Pmax2；根据加速性能确定Pmax3，动力源总功率 Pmax必须要满足上述三项指标的设计要求[4]，即

驱动电机的额定功率可由峰值功率求得：

（2）

式中λ为过载系数。

2.3 传动比设计

汽车传动系主要功能：第一是把驱动电机输出轴上的转矩按总传动比放大，传送至驱动轮上；第二是把驱动电机的转速按总传动比缩小，转换成相应的车速[5]；设计时要求电动机既能在恒转矩区提供较高的瞬时转矩，又能在恒功率区提供较高的运行速度[6]。

（1）传动系的总传动比上限。

传动系总传动比上限即最小传动比imin是变速器最高档速比与主减速器速比的乘积，由电动机的最高转速和电动汽车的最高车速决定：

（3）

式中：nmax为电机最高转速，vmax为最高车速，r为车轮滚动半径。

（2）传动系的总传动比下限。

传动系总传动比上限即最小传动比imax由电动机最大输出转矩和最大爬坡度确定：

（4）

式中：f为滚动阻力系数，αmax为最大爬坡度，Tmax为最大输出转矩，η为传动系总效率。

2.4 电池组容量的选择

在保证电动清扫车的动力性及续驶里程的前提下，最大输出功率和能量是电池组容量最主要考虑因素[7]。当今，锂电池作为最具有发展前景的电池之一，具有能量密度高，充电效率高，循环寿命长且没有记忆效应等特点，文章选用了磷酸铁锂电池组，电池数目由以下两种方法确定[8]：

（1）以最大功率选择

（5）

式中：Pbmax为电池最大输出功率，ηe为电机工作功率，ηec为电机控制器工作功率。

（2）以续驶里程选择

（6）

式中：L为续驶里程，W为行驶1km所消耗的能量，Vi为单电池电压，Cr为单节电池额定容量；

2.5 匹配结果

理论计算需要的设计参数以及最终确定的匹配参数如表2所示：

3 仿真模型的建立

advisor在给定的道路循环条件下利用车辆各部分参数，能快速地分析传统汽车、纯电动汽车和混合动力汽车的燃油经济性、动力性以及排放性等各种性能[9-10]。文章通过advisor软件建立电动清扫车汽车模型，对车辆模块及动力电池模块进行重新修改预定义，表3为仿真模型参数。

4 仿真分析

4.1 动力性能仿真结果

图1为车速随时间变化关系曲线，可以从图中看出，最大车速为51km/h，其余皆与理论分析结果吻合，符合设计要求；图2为SOC随时间变化曲线。

表4为该电动清扫车动力仿真结果，如表所示，该车动力性能符合设计要求。

4.2 续驶里程分析结果

图3为该电动清扫车在UDDS工况下车速和蓄电池SOC随时间变化情况，由图可以看出来，在模拟完一个工况之后蓄电池SOC下降了3.5%左右。

该小型电动清扫车续驶里程的分析结果与其行驶模式和实际工况有关系，文章选择蓄电池纯电动续驶里程仿真计算，在UDDS工况下，该电动清扫车在200kg的载荷下，以20km/h匀速行驶可以持续运行35.5km，满足设计要求。

5 设计优化

本课题针对设计的小型电动清扫车做出进一步的改进，整车质量上，由原来的600kg变为500kg，负载由原来的200kg变为150kg，将风阻系数改为0.25，迎风面积改为1.3m2，再对其进行整车动力性能及续驶里程进行分析，得到结果如表5所示：

由表5可以得到：减轻整车质量以及负载，减小风阻系数以及整车迎风面积，可以在一定程度上提高该电动清扫车的动力性能及续驶里程。

6 结束语

通过利用advisor汽车动力仿真软件，对设计的小型电动清扫车进行动力性以及续驶里程仿真分析，结果显示该电动清扫车的动力性能及续驶里程都满足设计要求。在此基础上，又对其进行了优化设计，优化结果显示：整车质量、风阻系数以及迎风面积对该电动清扫车的动力性及续驶里程有一定的影响，这为电动清扫车的设计提供了理论参照。

参考文献

[1]吴秋德.电动汽车动力系统匹配设计及性能仿真研究[D].吉林大学，2011.

[2]秦东晨，谢银倩，潘守辰，等.某纯电动汽车动力系统的建模与仿真分析研究[J].郑州大学学报（工学版），2013，05：48-51+73.

[3]钟磊，高松，张令勇.纯电动轿车动力传动装置参数匹配与动力性仿真[J].山东理工大学学报：自然科学版，2010，24（1）：78-79.

[4]周苏，牛继高，陈凤祥，等.增程式电动汽车动力系统设计与仿真研究[J].汽车工程，2011，11：924-929.

[5]陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京：北京理工大学出版社，2002：91-92.

[6]Ehsani Mehrdad，Gao Yimin，Gay，et al.现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车—基本原理、理论和设计[M].倪光正，倪培宏，熊素銘，译.北京：机械工业出版社，2008.

[7]陈树勇，仇斌，陈全世，等.电电混合燃料电池城市客车动力系统建模与仿真[J].系统仿真学报，2008，20（14）：3833-3837.

[8]李斌，陈全世.混合动力电动汽车中电池特性的研究[J].汽车技术，1997.

[9]秦绪鑫.基于advisor的复合电源电动汽车仿真软件的开发[D].长安：长安大学汽车学院，2010：18-23.

[10]SUPPESG J.Roles of plug-in hybrid electric vehicles in the transition to the hydrogen economy[J].International Journal of Hydrogen Energy，2006（31）：353-360.