苏建华　刘延涛　鹿森

【摘 要】电动物流车运营需求多样，工况复杂多变。为提高整车的动力性与经济性，论文采用五档变速箱电动物流车工程设计理念，通过理论计算确定动力系统关键部件的参数，建立五档变速箱后驱型车辆模型、核心部件模型及参数文件，仿真验证车辆动力系统设计的合理性，最后，开发了一台五档变速箱电动物流车，试验表明仿真结果与实际性能相一致。

【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

【关键词】物流工程；五档变速箱；仿真验证；动力系统；车辆模型

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

【中图分类号】U469.7 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0158-04

1 引言

新能源汽车作为战略新兴产业，备受各层面关注。政府部门更是通过一系列政策、规定与措施，大力鼓励、支持技术与产业发展。当前，新能源汽车领域重点围绕电池、控制、整车集成、产业与运营管理等几个方面开展研究，涌现了丰硕的成果，推动了我国新能源汽车技术的进步与产业的发展。如，毕军等[1]依据电动汽车行驶里程与电池SOC的相关性，采用递推最小二乘法对建立模型参数进行辨识，提高预测行驶里程的准确度。赵轩等[2]为合理确定纯电动客车的复合制动系统制动力分配比例，提出了基于制动驾驶意图辨识的复合制动控制策略，仿真结果表明在保证安全的前提下最大限度地回收了制动能量。谷靖等[3]围绕电动汽车的系统构型与关键参数设计问题，通过仿真验证了整车性能设计的合理性。彭涛等[4]针对并联混合动力电动汽车，提出了用工程分析与仿真校验相结合方法，完成车辆主要参数匹配。毕军等[5]为实现电动汽车的有效运行管理，设计了运行监控与统计分析系统，并通过试运营，较好地实现了车辆的实时监控和运行性能的分析。

从事配送领域的电动物流车因运营成本低廉、可集中运营等优势，更是受到生产企业的青睐，发展势头蓬勃。电动物流车运营范围覆盖城郊和市区，行驶路况多样、载货量重且差异大，要求车辆必须具备加速快、运行速度高、爬坡能力强和高效调速范围宽等能力，对车辆整体性能指标设计提出了较高要求。本文在车辆设计初始条件及五档变速箱选配的基础上，对驱动电机和动力电池参数进行理论计算与选配，建立车辆模型与部件模型及参数文件，对车辆进行仿真分析，最后通过开发实例验证五档变速箱在电动物流车工程应用上的可行性与优势。

2 车辆设计初始条件

2.1 初始输入

当前，因全新车辆开发费用高，电动物流车研究通常是从某一成熟的常规物流车车型出发，对其动力系统进行改造或重新设计。初始输入条件需要从原车型和设计目标进行确定，且需要预先估计满载质量。车辆和行驶参数如表1所示。

2.2 整车性能参数

结合GB/T 28382-2012、GB/T 1332-1991和QC/T 252-1998等的规定和要求，纯电动物流车动力性能参数要求如表2所示。

2.3 變速箱选配

车辆设置变速箱的主要目的为适合车辆行驶阻力变化，按需改变扭矩与转速，实现空挡及前进、倒退。电动物流车运营活动主要集中在市区和近郊，遇到的工况多种多样，最低稳定行驶车速为3～6km/h，最高车速可达100km/h，甚至更高。行驶过程所遇到的阻力变化可在6倍以上，存在起动电流大、爬坡无力、高速加不上、耗电量大，易造成电机、电池组及控制器损坏，安装变速箱非常必要。变速箱可使电机经常保持在高效率的工作范围内，提高工况适应性和使用效率，减轻电机和动力电池组的负荷，提高了电动汽车的整体能耗经济性。

部分电动车辆装配单档变速箱，车辆始终用同一传动比档位，完成从起步到最高速的行驶，电机不能回到最佳扭矩输出区间，再加速动力被大幅削弱，不利于车辆的经济性与舒适性。且因大齿轮比，车辆巡航状态下，电机长期处于较高的转速临界点运行，降低了动力的输出效率，功耗较大。同时还存在着驱动电机发热、噪声、轴承寿命、齿轮加工精度高和成本高等诸多问题，固定速比变速箱不足以满足电动物流车的最优工程设计需求。

多档变速箱在电动汽车工程应用中具有可高效发挥电机运行特性、降低电机功率需求、增加续驶里程，降低车辆总成本、提升驾驶舒适性，扩大车辆的运营适应范围等优势，因此采用多档变速箱是实现车辆性能的有效途径。当前，在货运物流车上普遍采用的五档变速箱因可大大提高车辆的动力性能，整车匹配技术成熟，批量产品的成本优势十分明显，且驾乘人员习惯五档的变档位操作模式。综合考虑市场成熟度、可靠性、成本等因素，本文选用某型号五档变速箱，参数如表3所示。

3 参数设计

3.1 驱动电机计算与选配

驱动电机参数主要包括功率、扭矩、转速等，依据最高车速、爬坡及加速性能进行计算。

3.1.1 电机功率计算

满足电动汽车的最高车速情况下，电机应具备功率：

满足电动汽车在爬坡性能工况下，电机所消耗功率：

满足电动汽车在水平路面上加速行驶消耗功率：

式中：m为总质量；g为重力加速度；va为加速末速度；ta为加速时间；ηT为传动系效率；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积；δ为转动惯量系数，取1.05。由公式（1）、（2）和（3）得到所需的电机功率。

3.1.2 电机扭矩计算

最大转矩Tmax应同时满足起动转矩和最大爬坡度的要求，并结合传动系最大传动比imax和最大爬坡度amax来确定。

式中：R为车轮滚动半径；αmax为最大爬坡度；G为满载车重；imax为传动系最大减速比。由公式（4）得到所需电机的扭矩。

3.1.3电机转速计算

电机最高转速应满足最高车速要求，依据给定减速比和最高车速下电机转速计算公式：

式中：Vmax为最高车速；imax为最大减速比；由公式（5）得到所需的电机转速。驱动电机参数如表4所示。

结合表4功率、扭矩和转速需求，驱动电机选型如表5所示。

3.2 动力电池计算与选配

动力电池系统是纯电动车辆的唯一能量来源，运用效能须优化，且决定车辆成本，因此必须进行慎重选配。

3.2.1最大输出功率需要单体电池数目

电池输出功率应满足电动物流车行驶时所需最大功率要求。且电池满电时能量必须大于或等于所需最大能量。

式中：Ppeak为电机峰值功率；ηm为电机效率；ηc为电机控制器效率；Cr为电池单体容量；Vr为单体电压；ζsoc为电池有效放电容量，取70%；P铺为辅助设备功耗，取1kW。

3.2.2 续驶里程需要单体电池数目

以30 km/h时速运行，核算续驶里程要求：

式中：LR为续驶里程；W1为电动汽车行驶1公里所消耗的能量，取0.2kWh/km。

3.2.3 动力电池选配

由公式（6）、（7），取单体电池数为45，即标称电压144V。动力电池选型如表6。

4 仿真与实例

4.1 模型设计与验证

本文以ADVISOR2002平台设计车辆仿真模型与部件参数文件。首先构建后驱动型车辆模型，其次建立车辆、动力电池、驱动电机、手动五档变速箱、主减速器及车轮车桥等核心部件模型及参数文件，最后设置驱动配置文件，完成五档变速箱电动物流车输入设计。车辆模型与参数文件设计结果如图1所示。

在CYC_UDDS城市道路循环工况下，五档变速箱电动物流车仿真结果如图2所示。由图2可知，最高速度为111.4km/h，0～50km/h加速时间7.6s，16.1km/h爬坡度为20%。仿真结果显示实际车速能很好地跟踪循环工况速度。放电电流与荷电状态变化的曲线表明，车辆在频繁加减速的工作过程中动力电池电流的快速變化，并实现了能量回馈。整个驱动循环中电机输出功率有正有负，负值表示电机工作在发电状态。

4.2 开发实例

依据动力系统参数设计和仿真结果，对电机及其驱动器和动力电池等关键系统进行设计，完成车辆开发。最高车速试验如图3所示。由图可见，最高车速为112.2km/h。

由试验结果得在半载条件下，以30km/h的经济时速开展跑车试验，车辆续驶里程达185km。车辆爬坡度大于31.5%。可见开发的五档变速箱电动物流车综合运行效能较好，完全满足设计要求。

5 结语

当前，电动汽车用多档变速箱大多还处在研发阶段，且成本高，还无法满足电动汽车蓬勃发展的需求，采用成本较低、可靠性高，经过市场反复验证的传统多档变速箱，无疑是比较明智的选择。本文通过严密的理论计算，建立五档变速箱后驱型车辆模型、部件模型及参数文件，对动力系统参数选配进行验证，仿真结果表明满足性能指标要求。最后，工程开发了一台五档变速箱电动物流车，试验表明仿真设计结果与车辆实际性能相一致，且整体运行效能比高。

【参考文献】

【1】毕军，张家玮，张栋，等.电动汽车行驶里程与电池SOC相关性分析与建模[J].交通运输系统工程与信息，2015，15（1）：49-54.

【2】赵轩，马建，汪贵平.基于制动驾驶意图辨识的纯电动客车复合制动控制策略[J].交通运输工程学报，2014，14（4）：64-75.

【3】谷靖，欧阳明高，卢兰光，等.微型纯电动汽车的系统构型与关键参数设计[J].汽车工程，2013，35（1）：7-12.

【4】彭涛，陈全世，田光宇，等.并联混合动力电动汽车动力系统的参数匹配[J].机械工程学报， 2003，39（2）：69-73.

【5】毕军，关伟，申金升.电动汽车运行监控与统计分析系统的设计[J].交通运输系统工程与信息，2005，5（1）：29-32.