汽车ABS动力学仿真整车模型建设
2009年第 4期
车 辆 与 动 力 技 术
Veh icle& PowerTechnology
总第 116期
文章编号: 1009- 4687( 2009) 04- 0011- 05
双侧电传动履带车辆电机匹配与仿真
陈泽宇, 张承宁, 李军求, 武小花
(北京理工大学 机械与车辆学院, 100081)
摘 要: 针对履带车辆的双侧电传动结构, 结合履带车辆工作特点和最高车速、爬坡性能、加速能力和转向能力
等动力学参数的设计要求, 研究了牵引电机的特性参数匹配计算方法. 以 20吨级履带车辆为例进行了电机和侧
传动的参数匹配. 在 Matlab /s imu link中进行仿真, 通过仿真对匹配结果进行验证和修改, 进一步提高车辆动力
性; 得出了匹配后的履带车辆所能达到的极限转向半径. 结果表明所选的参数设计合理, 匹配方法是合理可行
的.
关键词: 履带车辆; 匹配; 双侧电传动; 电机; 仿真
中图分类号: U4621 1 文献标识码: A
Param eter M atching and Sim ulation for a
Dual2motor2drive E lectric Tracked Vehicle
CHEN Ze2yu, ZHANG Cheng2n ing, LI Jun2qiu, WU Xiao2hua
( School ofMechanical Engineering, Beijing Institute ofTechnology, Beijing 100081, Ch ina)
Abstract: Based on the structure of a dual2motor2drive electric tracked vehicle, the calculating m ethod
in parametermatching of traction motors' property is discussed in accordancewith the design requirements
includ ing maximum of velocity, grade ab ility, acceleration and steering ability. Taking a 20t tracked ve2
h icle as an example, the match ing analysis on both themotor and the side reducer ofone track is done in
M atlab /Simu link. In order to improve the performance of the veh icle, the match ing results are mod ified
accord ing to simulation resu lts and the extreme steering radius is presented at las.t
K ey word s: tracked vehicle; matching; dual2motor2drive; motor; simulation
收稿日期: 2009- 06- 15
作者简介: 陈泽宇 ( 1982- ), 男, 博士, 研究方向: 电动车辆控制策略; 张承宁 ( 1963- ), 男, 教授, 博导, 研究方 向: 电驱动车辆
与电机控制.
资料表明, 电传动是目前履带车辆的一大发展
趋势 [ 1] . 牵引电机是电传动履带车辆行驶系统中
的核心部分, 对其合理地进行匹配, 是保证整车良
好性能的关键.
目前电传动履带车辆系统的电机匹配方法主要
是借鉴以往汽车理论的先验知识以及当前的电机技
术水平来进行各种参数的选取 [ 2, 3] , 但是履带车辆
的自身特点和使用条件都与传统民用车辆有很多差
异, 电机的特性也与内燃机的特性曲线有较大区
别, 因此汽车理论中的匹配方法在电驱动履带车辆
中并不能完全适用; 而从电机的当前技术水平出发
来选取电机参数的方法虽然简单实用, 却脱离了车
辆动力性, 缺少理论依据, 其匹配结果自然无法令
人满意.
作者针对双侧电传动履带车辆的电机匹配问题
车辆与动力技术 2009年
展开研究, 结合履带车辆的使用特点, 从行驶和转
向工况中的各种动力学要求出发, 分析电机的特征
参数的匹配设计方法, 并对匹配的结果进行仿真验
证.
1 双侧电传动履带车辆结构
双侧电传动是目前电传动履带车辆采用的最多
的一种形式 [ 4, 5] , 是指取消了两侧驱动轮之间的横
向机械连接, 通过综合控制器分别控制两侧的电动
机, 将发电机和电池输送来的电能转化为机械能来
驱动两侧履带行驶的一种结构形式, 主要优点是结
构简单, 布置灵活, 控制方便, 如图 1所示.
图 1 双侧独立驱动结构简图
2 牵引电机的匹配方法
双侧电传动系统的电机匹配问题主要包括电机
的六个特征参数和侧传动比的设计.
211 额定功率 P e
电机的功率匹配包括额定功率和峰值功率两部
分, 额定功率对应着电机可以长时间持续工作的功
率点, 因此额定功率的匹配应该基于履带车辆的持
续工作需求.
电传动履带车辆的行驶状态主要分为: 匀速、
加速、爬坡、转向和再生制动等 5个主要部分; 为
了提供优越的动力性, 加速、爬坡和转向等工况一
般都需要电机的短时间过载运行, 额定功率只需要
满足正常的匀速行驶的功率需求即可, 因此以最高
车速来匹配电机的额定功率, 另外考虑到履带车辆
经常行驶在越野环境, 因此还需要兼顾越野行驶车
速, 如式 (1) ~ ( 3)所示:
P e = 0. 5( c1P e1 + c2P e2 ), ( 1)
P e1 = 015(fG + CDAumax
2
21115 ) um ax
3600G, ( 2)
P e2 = 015(fG + CDAuv
2
21115 ) uv
3600G, ( 3)
式中 P e1为公路最大车速时功率需求; P e2为越野
平均车速时功率需求; c1 和 c2 为权值, f为滚动阻
力系数; umax 为公路最大车速; uv 为常规越野车
速; CD 为风阻系数; A为迎风面积; G为从电机到
履带的效率.
212 峰值功率 P max
峰值功率的匹配是整个设计过程中最重要的环
节, 峰值功率必须保证短时间的大功率需求, 匹配
结果主要影响爬坡和加速性能; 另外, 履带车辆转
向时外侧需要相对较大的功率, 而双侧电传动形式
的内侧履带制动回馈能量是以电能的形式传递到外
侧, 外侧电机需要提供较大的机械功率, 因此电机
峰值功率的匹配对转向能力也有很大影响.
履带车辆的加速性能通常用 0到 32 km /h加速
时间来评价. 由于速度较低, 初步计算时可以忽略
风阻的影响, 如式 (4):
t =
1
3. 6 @( Qu e
0
Dmdu
2Tmax iG
r - fG
+
Q32
ue
Dmdu
7200P max G
u - fG
) ifue < 32
1
3. 6 @ Q32
0
Dmdu
2Tm ax iG
r - fG
ifue > 32
, ( 4)
式中 ue 为电机额定转速 ne 时对应的车辆速度;
Tm ax为电机的峰值力矩; i为侧传动比; r为履带的
主动轮半径.
根据车辆的爬坡性能要求, 电机的峰值功率还
应满足:
P max \ 0. 5(fcosA+ sinA)Gug
3600G , ( 5)
式中 A为坡度角; ug 为所规定的爬坡速度指标.
为了使车辆能够快速的进行原地中心转向, 峰
值功率需要满足式 (6):
P max \ ( 0. 5fG + LGL
4B ) us
3600G, ( 6)
式中 L为转向阻力系数, 是转向半径的函数, 随
转向半径的减小而增大 [ 6] ; us 为中心转向时单侧
履带的线速度; L 为履带接地长度; B 为两侧履带
中心距.
#12#
第 4期 陈泽宇等: 双侧电传动履带车辆电机匹配与仿真
如前所述, 转向时外侧电机需要输出很大的功
率, 因此除了对原地中心转向的影响之外, 还应考
虑峰值功率对任意车速下的极限转向能力, 文献
[ 2] 即是通过转向时的外侧电机功率需求对电机
峰值功率进行匹配. 这种方法理论上是正确的, 但
是转向时电机功率需求与车速有直接关系, 而车辆
在任意速度下的转向都是有可能发生的, 因此很难
定义出一个合理的评价指标作为匹配依据.
为了使峰值功率的匹配结果能够满足转向的要
求, 合理可行的做法是先通过式 ( 4) ~ ( 6)进行匹
配, 然后对匹配结果绘制极限转向半径曲线, 观察
在任意车速下的转向能力, 如果不满足设计意图,
则增大峰值功率, 极限转向半径的计算根据式 ( 7)
得到:
0. 5fG + LLG
4B [ 1000P max G
u + 0. 5BuR- 1
m u2
R [ Umg
. ( 7)
213 峰值转矩 Tm ax
峰值转矩的匹配原则是满足爬坡、原地中心转
向的大力矩需求, 匹配公式如下:
Tm ax \ (fcosA+ s inA)Gr
2iG , ( 8)
Tmax \ r
iG(0. 5fG + L0GL
4B ), ( 9)
式中 L0 为原地中心转向时的转向阻力系数. Tmax
的选择要综合考虑电机和侧传动的尺寸等实际因
素; 考虑到地面附着力的限制, 匹配结果还应该满
足:
Tm ax iG
r [ 0. 5UG. (10)
另外, 注意到 Tm ax对加速时间的影响, 如式
( 4), 在对 Tm ax初步匹配后还需要验证加速时间,
如不满足要求则将 Tm ax增大.
214 最高转速 nm ax
电机的最高转速的选取主要根据最高车速以及
实际的电机设计能力、尺寸要求等, 目前车用电机
的最高转速一般在 6 000~ 10 000 r/m in, 最高转速
与侧传动比之间应满足如下关系:
nm ax \ um ax i
0. 377r, (11)
式中 umax为最高车速性能指标.
215 侧传动比 i
侧传动比 i的选择与峰值力矩 Tmax和最高转速
nmax具有直接关系, 如果 i偏大, 比较容易满足车
辆的力矩需求; i偏小, 则比较容易满足车辆的速
度要求. 初步设计时, 可以根据现有的减速结构和
技术可行性初选一个 i0, 依据上面步骤确定 Tmax和
nmax根据式 ( 8) ~ ( 11)得:
max{im in1, imin2 } [ i [ m in{imax1, imax2 }, ( 12)
其中, im in1和 im in2是通过式 (8 ), ( 9)得到的 i下限
值, imax1和 im ax2是通过式 (10), ( 11)得到的 i上限
值; 显然, i的选取并不唯一, 是一个重复验算与
修正的过程.
216 额定转速 ne、额定转矩 Te
额定转速点是电机应该长期连续工作的转速
点, 通常电机厂商都比较重视对额定转速点处的工
作特性的考核, 电机的实验数据也表明, 一般在额
定转速点的电机效率都是比较高的, 因此应该将电
机的额定转速与常规越野车速进行匹配, 即二者应
满足式 ( 13)
ne = uv i
0. 377r, ( 13)
式中 uv 为车辆的越野速度.
额定转矩的匹配计算可以通过式 ( 14)得到
Te = 9549P e
ne
. ( 14)
3 设计实例
311 主要参数及设计指标
以 20吨级履带车辆为例, 进行电机的匹配设
计. 车辆和路面的主要参数为: 车辆满载质量
20 000 kg, 履带中心距离 B 为 218 m, 履带接地长
度 L为 410 m, 旋转质量系数为 212, 迎风面积为
10 m2, 空气阻力系数为 110. 地面参数分越野和
土公路, 越野阻力系数为 0108, 附着系数为 018,
最大转向阻力系数为 017; 公路阻力系数为 0104,
最大转向阻力系数为 015, 附着系数为 016. 整车
的动力学设计指标为最高车速不小于 65 km /h, 越
野车速不小于 30 km /h, 中心转向一周时间小于 8s,
最大爬坡度大于 60%, 爬坡速度大于 12 km /h, 0到
32 km /h加速时间小于 8 s.
312 匹配结果
根据文中上述方法进行履带车辆的驱动电机的
匹配计算, 功率的匹配结果如下: 峰值功率 250
kW, 额定功率 100 kW, 额定转速 2 500 r/m in, 额
定力矩 380 N# m; 对峰值力矩、最高转速和侧传
#13#
车辆与动力技术 2009年
动比的匹配结果如表 1所示, 综合考虑之后选择第
2组数据为匹配结果, 考虑一定余量, 取最高转速
为 7 500 r/m in, 峰值力矩为 1 650 N# m, 计算侧
传动比的范围为 1215[ i[ 1311, 最终选定传动比
为 1218.
表 1 侧传动比、最高转速和峰值力矩的匹配
参数 结果 1 结果 2 结果 3 结果 4
侧传动比 12 13 14 15
最高转速 / ( r# min- 1 ) 6 897 7 471 8 046 8 602
峰值转矩 /(N# m) 1 639 1 582 1 469 1 371
4 仿真
为了验证匹配的合理性, 在 M atlab /Simu link中
进行仿真分析, 仿真内容包括加速时间、爬坡、原地
中心转向和车速仿真.
图 2为爬坡性能的仿真结果, 从图 2可以看出,
60%爬坡速度可以达到 13km /h, 满足设计要求, 但
是发现坡上速度增加缓慢, 这说明峰值功率足够, 但
是峰值力矩不足, 这将会导致难以在 60% 坡道上起
步或 加速, 因 此将 峰值 力 矩匹 配 结果 调 整为
1 800 N# m, 可见修改之后速度增长过程明显改善.
图 2 爬坡性能仿真
图 3 为加速性能的仿真结果, 在越野环境下从
0到 32 km /h的加速时间为 612 s, 在公路环境下为
512 s, 均满足设计要求; 图 4为中心转向仿真结果,
在刚开始转向时由于存在一个启动加速过程, 第 1
圈用时大约为 9 s, 之后从第 2圈开始大约需要 4 s; 图
5为连续功率下的车速仿真, 在额定功率点附近, 公
路车速可以达到 66 km /h,越野车速达到 30 km /h, 均
满足设计指标.
另外, 为了观察匹配结果下的车辆极限转向能
力, 根据 (6)式绘制在越野环境下的任意速度点对
应的极限转向半径, 如图 6.
图 3 加速时间仿真
图 4 中心转向速度仿真
图 5 车速仿真
图 6 极限转向半径
可以看出, 当车速低于 15 km /h时, 极限转向半
径在 10 m以下, 车辆具有很好的转向能力; 随着车
速的增加, 极限转向半径很快增大, 当车速超过 30
km /h时, 极限转向半径大于 40 m, 已经不适合进行
大幅度转向, 只能进行方向修正. 根据经验, 一般履
带车辆转向时车速都低于 15 km /h, 所以认为图 6
中的极限转向半径已经满足使用要求, 如果对转向
#14#
第 4期 陈泽宇等: 双侧电传动履带车辆电机匹配与仿真
有更高的要求, 则可以适当调整 P max, 重新观察极限
转向半径曲线, 直到满意为止.
5 结 论
针对双侧电传动履带车辆研究了电机和侧传动
比的匹配方法. 以 20吨履带车辆为实例进行了电机
的匹配设计, 对匹配结果进行了 Matlab /Simu link仿
真分析, 通过仿真对匹配结果进行完善. 在匹配结果
的基础上得到了车辆在任意车速下的极限转向半
径. 结果表明转向性能满足使用要求.
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(上接第 10页 )
3 结 论
主要研究履带式混合动力车辆控制策略的参数
优化方法. 基于优化设计的思想, 将控制策略参数作
为设计变量, 确定目标函数和约束条件, 建立混合动
力汽车性能优化问题的数学模型. 然后利用多学科
优化平台软件 OPT IMUS, 采用自适应遗传优化算
法, 进行最佳设计变量的求解. 计算结果表明本文的
方法是有效的, 将其用作控制策略的离线参数优化,
可以大大缩短控制参数的实车标定时间.
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