CN108528275B - 一种轮毂电机驱动城市公交的动力分配及功率匹配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种轮毂电机驱动城市公交的动力分配及功率匹配方法，轮毂电机驱动城市公交由四个装于轮毂中的轮毂电机作为动力输出机构驱动；在普通路况下低速与中速行驶时，只使用后轮驱动；高速行驶时，采用前轮驱动；加速和爬坡时，用全轮驱动，按照前后轮的额定功率的比例分配前后轮的驱动力；所述的普通路况为除爬坡路况外的其它路况；所述的低速、中速和高速为预设的速度区间。使用本发明方法进行轮毂电机驱动城市公交的动力分配与功率匹配，使城市公交大部分时间可以行驶在高效率区，减少行驶过程中能量的浪费。

Description

一种轮毂电机驱动城市公交的动力分配及功率匹配方法
技术领域
本发明属于新能源汽车技术领域，尤其涉及一种轮毂电机驱动城市公交的动力分配及功率匹配方法。
背景技术
近年来，由于环保问题日益突出，能源问题也日渐引起人们的重视，于是从业者们对新能源汽车的研究逐渐增加，中国政府也逐渐加大推行新能源汽车的力度，出台了很多对于新能源汽车的生产和销售的补贴和鼓励政策。
新能源汽车的发展中出现了许多种类的车辆，但是使用轮毂电机驱动车辆行驶仍然是一种比较新的形式，中国目前的车辆市场上仍很少有车辆采用轮毂电机作为动力源。对于轮毂电机驱动车辆开发初期的动力系统设计没有一种统一的设计路线和计算方法。
而对于城市公交，据统计结果显示，其经常运行的状态所需求的功率很低，但是却平常为其配备高功率的动力系统，使其日常行驶非常低效，造成了很大的功率浪费。城市公交行驶过程中制动也非常频繁，这部分能量消耗非常可观。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种轮毂电机驱动城市公交的动力分配及功率匹配方法，使得城市公交能够大部分时间行驶在高效率区，减少行驶过程中能量的浪费。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种轮毂电机驱动城市公交的动力分配及功率匹配方法，其特征在于：轮毂电机驱动城市公交由四个装于轮毂中的轮毂电机作为动力输出机构驱动；
在普通路况下低速与中速行驶时，只使用后轮驱动；
高速行驶时，采用前轮驱动；
加速和爬坡时，用全轮驱动，按照前后轮的额定功率的比例分配前后轮的驱动力；
所述的普通路况为除爬坡路况外的其它路况；所述的低速、中速和高速为预设的速度区间。
按上述方案，四个轮毂电机的功率选择具体步骤如下：
S1、将车辆以中国典型城市公交循环工况中车辆行驶部分的平均车速行驶且路面有第一微小坡度时所需的功率作为车辆后轮轮毂电机的额定功率；
S2、以设计的最高车速行驶时所需的功率作为车辆后轮轮毂电机的峰值功率；
S3、以车辆的爬坡性能与加速性能所需的功率再加上一定的余量作为整车的峰值功率，以此计算出车辆前轮轮毂电机的峰值功率；
S4、将车辆以设计的最高车速行驶且路面有第二微小坡度时所需的功率作为车辆前轮轮毂电机的额定功率；
所述的第一微小坡度和第二微小坡度均为预设坡度值，且第二微小坡度小于第一微小坡度。
按上述方案，所述的S3中一定的余量为车辆的爬坡性能与加速性能所需的功率的10％-20％。
按上述方案，所述低速、中速与高速工况由以下方法来划分：
分析中国典型城市公交循环工况，其中车辆有行驶和驻车两种状态，计算车辆行驶状态下的平均速度为22.79km/h，取整为u1＝23km/h，而中国典型城市公交循环工况的最高车速为u2＝60km/h；
将车速依此分为三级，小于23km/h为低速，大于等于23km/h且小于60km/h为中速，60-69km/h为高速行驶。
按上述方案，所述轮毂电机驱动城市公交为双轴车辆，前后轴均由两个轮毂电机驱动，轮毂电机为内转子电机，在轮毂电机与轮胎之间安装有行星齿轮减速器。
按上述方案，所述轮毂电机驱动城市公交前轴的轮毂电机的功率大于后轴的轮毂电机的功率。
按上述方案，所述的车辆加速的判断方法是，车辆的纵向加速度信号高于预设的加速度阈值。
按上述方案，所述的车辆爬坡的判断方法是，车辆的坡度信号高于预设的坡度阈值。
按上述方案，在制动减速时，采取机械制动与电制动结合的方式，以机械制动为基础，辅以电制动，实现制动能量回收；且前轮制动力大于后轮制动力。
按上述方案，所述的第一微小坡度为2％，第二微小坡度为1％。
本发明的有益效果为：
1、使用本发明方法进行轮毂电机驱动城市公交的动力分配与功率匹配，在车辆低速和中速的行驶状态下使用功率小的后轮轮毂电机驱动，高速行驶时使用功率大的前轮轮毂电机驱动；而在需求功率较大的爬坡或加速工况下，使用四轮毂电机同时驱动，从而使城市公交大部分时间可以行驶在高效率区，减少行驶过程中能量的浪费。
2、城市公交的制动十分频繁，在制动时车辆载荷前移，前轴需要提供更大的制动力，若将制动时的能量回收，即使用轮毂电机提供制动力，则前轮需要有更大的功率以提供相应的制动力。后轮只需配备一个小功率的电机，前轮配备一个稍大功率的电机以满足最大爬坡度与加速性能的需求。因此在制动时，因为有载荷的前移，使前轮轮毂电机施加比后轮轮毂电机更大的电制动力，以充分回收制动能量并实现有效制动，使各轮毂电机的功率得到有效的利用，有效避免功率浪费。
附图说明
图1为本发明一实施例的方法流程图。
图2为中国典型城市公交循环工况图。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种轮毂电机驱动城市公交的动力分配及功率匹配方法，如图1所示，轮毂电机驱动城市公交由四个装于轮毂中的轮毂电机作为动力输出机构驱动；在普通路况下低速与中速行驶时，只使用后轮驱动；高速行驶时，因前轮的额定功率大于后轮，采用前轮驱动；加速和爬坡时，用全轮驱动，为充分提高前后轮毂电机的功率利用率，按照前后轮的额定功率的比例分配前后轮的驱动力；车辆加速的判断方法是，车辆的纵向加速度信号高于预设的加速度阈值。车辆爬坡的判断方法是，车辆的坡度信号高于预设的坡度阈值。
四个轮毂电机的功率选择具体步骤如下：
S1、将车辆以中国典型城市公交循环工况中车辆行驶部分的平均车速行驶且路面有第一微小坡度时所需的功率作为车辆后轮轮毂电机的额定功率；本实施例中第一微小坡度为2％。
S2、以设计的最高车速行驶时所需的功率作为车辆后轮轮毂电机的峰值功率。
S3、以车辆的爬坡性能与加速性能所需的功率再加上一定的余量作为整车的峰值功率，以此计算出车辆前轮轮毂电机的峰值功率。本实施例中，一定的余量为车辆的爬坡性能与加速性能所需的功率的10％-20％。
S4、将车辆以设计的最高车速行驶且路面有第二微小坡度时所需的功率作为车辆前轮轮毂电机的额定功率；本实施例中第二微小坡度为1％。
所述低速、中速与高速工况由以下方法来划分：分析中国典型城市公交循环工况，如图2所示，其中车辆有行驶和驻车两种状态，计算车辆行驶状态下的平均速度为22.79km/h，取整为u1＝23km/h，而中国典型城市公交循环工况的最高车速为u2＝60km/h；将车速依此分为三级，小于23km/h为低速，大于等于23km/h且小于60km/h为中速，60-69km/h为高速行驶。
所述轮毂电机驱动城市公交为双轴车辆，前后轴均由两个轮毂电机驱动，轮毂电机为内转子电机，在轮毂电机与轮胎之间安装有行星齿轮减速器。轮毂电机驱动城市公交前轴的轮毂电机的功率大于后轴的轮毂电机的功率。
在制动减速时，为确保制动安全且尽量避免功率浪费，采取机械制动与电制动结合的方式，以机械制动为基础，辅以电制动，实现制动能量回收；因为制动时载荷前移，故在前轮使用较大的制动力。
在本实施例中，选用的轮毂电机驱动城市公交的参数为：整车重量m＝13000kg，车轮半径r＝0.487m，最高车速umax＝69km/h，行星齿轮减速器的减速比为ig＝5，传动效率为ηT＝0.9，空气阻力系数CD＝0.7，迎风面积A＝8.5m2，最大爬坡度imax＝0.3，最大爬坡时的速度uim＝15km/h，要求车速从0加速至um＝50km/h，加速时间为tm＝30s，汽车旋转质量换算系数为δ＝1.1。
选定车辆后轮的额定功率，按照车辆以u1＝23km/h的车速行驶且路面有i2e＝2％的微小坡度所需的功率来确定。车辆后轮的额定功率计算公式为：
Figure BDA0001675700910000041
其中，f＝0.0076+0.000056u是车轮的滚动阻力系数，α2e＝arctani2e为i2e坡度对应的坡度角(°)。
代入数据计算得：P2e＝14kW。
选定车辆后轮的峰值功率，按照车辆以最高车速umax＝69km/h行驶所需的功率来确定。计算公式为：
Figure BDA0001675700910000042
代入数据计算得：P2max＝29.81kW，选取适当余量，取P2max＝35kW。
选定车辆前轮的峰值功率。两前轴轮毂电机峰值功率与两后轴轮毂电机峰值功率之和应满足车辆的爬坡性能与加速性能的需求。
车辆的爬坡性能所要求的功率计算公式为：
Figure BDA0001675700910000043
代入数据计算得：Pi＝182.01kW。
车辆的加速性能所要求的功率计算公式为：
Figure BDA0001675700910000051
其中，加速性能测试中，实时车速v是时间t的函数，可表示为
Figure BDA0001675700910000052
y一般取0.5-0.6之间。
代入数据计算得：Pj＝196.72kW。
比较车辆的爬坡性能与加速性能所需的功率，选取适当功率余量，取整车峰值功率Pmax＝220kW。
前轮的峰值功率计算公式为：
Figure BDA0001675700910000053
代入数据计算得：P1max＝70kW。
选定前轮的额定功率，因为在高速区计划只用前轮驱动，所以按照车辆以umax＝69km/h的车速行驶且路面有i1e＝1％的微小坡度所需的功率来确定前轮的额定功率。车辆前轮的额定功率计算公式为：
Figure BDA0001675700910000054
代入数据计算得：P1e＝43kW。
综上，所设计城市公交的各轮毂电机的功率需求如下：
Figure BDA0001675700910000055
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种轮毂电机驱动城市公交的动力分配及功率匹配方法，其特征在于：轮毂电机驱动城市公交由四个装于轮毂中的轮毂电机作为动力输出机构驱动；
在普通路况下低速与中速行驶时，只使用后轮驱动；
高速行驶时，采用前轮驱动；
加速和爬坡时，用全轮驱动，按照前后轮的额定功率的比例分配前后轮的驱动力；
所述的普通路况为除爬坡路况外的其它路况；所述的低速、中速和高速为预设的速度区间；
四个轮毂电机的功率选择具体步骤如下：
S1、将车辆以中国典型城市公交循环工况中车辆行驶部分的平均车速行驶且路面有第一微小坡度时所需的功率作为车辆后轮轮毂电机的额定功率；
S2、以设计的最高车速行驶时所需的功率作为车辆后轮轮毂电机的峰值功率；
S3、以车辆的爬坡性能与加速性能所需的功率再加上一定的余量作为整车的峰值功率，以此计算出车辆前轮轮毂电机的峰值功率；
S4、将车辆以设计的最高车速行驶且路面有第二微小坡度时所需的功率作为车辆前轮轮毂电机的额定功率；
所述的第一微小坡度和第二微小坡度均为预设坡度值，且第二微小坡度小于第一微小坡度；
所述低速、中速与高速工况由以下方法来划分：
分析中国典型城市公交循环工况，其中车辆有行驶和驻车两种状态，计算车辆行驶状态下的平均速度为22.79km/h，取整为=23km/h，而中国典型城市公交循环工况的最高车速为=60km/h；
将车速依此分为三级，小于23km/h为低速，大于等于23km/h且小于60km/h为中速，60-69km/h为高速行驶；
所述轮毂电机驱动城市公交为双轴车辆，前后轴均由两个轮毂电机驱动，轮毂电机为内转子；
所述轮毂电机驱动城市公交前轴的轮毂电机的功率大于后轴的轮毂电机的功率；
所述的车辆加速的判断方法是，车辆的纵向加速度信号高于预设的加速度阈值；
所述的车辆爬坡的判断方法是，车辆的坡度信号高于预设的坡度阈值；
在制动减速时，采取机械制动与电制动结合的方式，以机械制动为基础，辅以电制动，实现制动能量回收；且前轮制动力大于后轮制动力。
2.根据权利要求1所述的轮毂电机驱动城市公交的动力分配及功率匹配方法，其特征在于：所述的S3中一定的余量为车辆的爬坡性能与加速性能所需的功率的10%-20%。
3.根据权利要求1所述的轮毂电机驱动城市公交的动力分配及功率匹配方法，其特征在于：所述的第一微小坡度为2%，第二微小坡度为1%。
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