双电机工程抢险救援车参数匹配与仿真

肖永玖 ， 焦生杰 ， 王庆先

（1.长安大学公路养护装备国家工程实验室，陕西 西安 710000；2.江苏集萃道路工程技术与装备研究所有限公司，江苏 徐州 221000）

近年来，以电动化为代表的新能源工程机械迅速发展。根据“十四五”规划，到2023年，电动车辆占比将超过内燃车辆，到2025年，电动车辆占比将达到65%以上[1]。电动汽车作为一项新兴产业，在我国有着得天独厚的发展条件，但目前电动汽车的续驶里程和初始成本高是其研发和发展路上的瓶颈与障碍[2]。电池是电动汽车的唯一能量源，电机是电动汽车的唯一动力源[3]，合理匹配纯电动汽车传动系统参数，有助于纯电动汽车获得良好的动力性和经济性[4]。研究小组根据某双电机小型抢险救援车的设计参数和性能参数对车辆的电机参数、电池参数和传动系统进行了参数匹配，并根据匹配后的整车参数，采用AVL Cruise软件进行车辆建模仿真分析，验证了该救援车的动力性与经济性。

1 动力系统参数匹配与计算

1.1 双电机救援车基本参数与性能指标

原车辆的整车主要参数，如表1所示。

表1 整车主要参数

原车辆的动力性指标与经济性指标，如表2所示。

表2 车辆动力性指标与经济性指标

1.2 电机参数计算

1.2.1 电机的峰值功率

整车的电机峰值功率应同时满足以最高车速行驶下的最高功率、进行最大爬坡度时的需求功率以及满足加速时间的需求功率。

式中，Pmax为整车峰值功率；Pmax1为最高车速行驶下的需求功率；Pmax2为进行最大爬坡度时需求的电机功率；Pmax3为满足加速时间的需求功率。

Pmax=22.65 kW，考虑到电气元件的消耗，为保证车辆在爬坡时稳定行驶，动力系统需要一定的功率余量，故暂取30 kW。

1.2.2 电机的额定功率

驱动电机的峰值功率与额定功率存在以下关系：

式中，Pe为电机的额定功率；λ为电机过载系数，本研究中λ取2。

综上，电机的额定功率为15 kW，峰值功率为30 kW。

1.2.3 电机转速

根据最高车速，并综合考虑电机的负载、体积以及其他性能，暂选交流异步电机。最高转速高于6 000 r/min的交流电机称为高速电机，其制造成本高且工艺复杂。以下为普通电机，故暂取电机最高转速为：

电机的额定转速与最高转速的关系式为：

式中，β为电机扩大恒功率区系数，本研究取β=2，故ne=3 000 r/min。

1.2.4 电机转矩

最大转矩与额定转矩的计算公式为：

计算可得，最大转矩Tmax=95.5 N·m，额定转矩Te=47.5 N·m。

综上，可得到电机总的需求功率，再根据目前市场上的电机型号，综合考虑成本以及电机效率，暂取两台同型号额定功率为7.5 kW，峰值功率为15 kW，额定转速为3 000 r/min，最高转速为6 000 r/min，额定转矩为23.75 N·m，最高转矩为47.5 N·m的交流异步电机。

1.3 传动比参数计算

传动比的上限与最高车速有关，即：

传动比的下限与车辆最高速度行驶时的阻力有关，即：

计算可得0.98≤i0≤17.24，考虑到救援车最高速度无需过大，暂取i0=16。

1.4 电池组参数计算

动力电池作为救援车的唯一能量来源，电池的选择对整车动力性及经济性有极大的影响[5]。因此，需要根据动力性以及经济性指标匹配合适的电池。动力电池所提供的能量需满足以下关系式：

式中，m为整车计算质量，单位为kg；g为重力加速度，单位为m/s2；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积，单位为m2；vavg为平均车速，单位为km/h；ηt为传动系效率；ηm为电机及控制器效率；ηb为动力电池放电效率；nacc为电动附件能耗系数；DOD为动力电池放电深度；Ue为动力电池组额定电压，单位为V；d1为续驶里程，单位为km；Ce为电池容量，单位为AH。

计算可得，WB=11.26 kW·h，CB=156。

2 整车建模及仿真分析

2.1 整车建模

根据整车参数，包括电机参数、电池参数和传动比参数，使用AVL Cruise[6]软件建立仿真模型，如图1所示。

图1 工程救援车Cruise仿真模型

2.2 仿真结果

在AVL Cruise软件中分别建立低速NEDC经济性任务、最大牵引力、最大爬坡度以及0～45 km/h加速动力性任务，仿真结果如图2、图3、图4、图5所示。

图2 低速NEDC续驶里程/km

图3 最大牵引力/N

图4 最大爬坡度/%

图5 0～45 km/h加速性能

3 结论

研究小组根据双电机四驱工程抢险救援车的动力性参数指标和经济性参数指标，对救援车的电池、电机以及高速挡传动比进行了计算和选型，并得到匹配参数；通过AVL Cruise软件对工程救援车进行动力性和经济性仿真分析。结果表明，在低速的NEDC工况下，救援车的续航为141 km，最大爬坡度为82%，最大牵引力为8 105 N，0 km/h～45 km/h的加速时间为4.88 s，救援车的参数指标均满足动力性和经济性的要求。