沃森电动观光车的设计与优化

李 敏，于 盼，王丰元，王武宏

（1.青岛理工大学 汽车与交通学院，青岛 266520；2.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081）

0 引言

旅游业伴随着国民经济的不断发展和人民生活水平的不断提高也获得了空前发展，而由于石油资源的匮乏和节能环保观念的普及，传统内燃机观光车已不能满足相关排放政策的要求，对景区环境造成了很大的伤害，电动观光车取而代之。研究电动观光车具有深远意义。首先，这一研究有利于十二五时期可再生能源建筑应用规模的不断扩大，可以有效缓解能源紧张的问题。其次，电动观光车的一大特点就是低碳、节能、环保，研究电动观光车可以有效改善生存环境，促进节能环保产业快速发展，有利于资源的合理利用。最后，推广使用电动观光车可以增加当地就业带动相关产业链发展。

1 设计要求和参数选择

本次设计的是沃森电动观光车，要求和大致数据 如下：

1）所设计的电动观光车为电力驱动，并且是以电池作为动力源；

2）所设计的电动观光车的最高车速不得高于30km/h；

3）所设计的电动观光车的座位数为8；

4）所设计的电动观光车的续驶里程应大于100km；

5）所设计的电动观光车的外形尺寸（长×宽×高）：3750×1248×1830mm。

所设计的电动观光车的结构参数、质量参数和性能参数显示在表1中。

表1 电动观光车参数

2 电动机和电池的设计计算和校核

2.1 电动机的选择

电动机将蓄电池的能量转换成机械能来驱动电动汽车，电动机的特性决定了推进系统和控制系统的特性，同时也决定了机械转换器中功率转换装置的特性。

要选择合适的电动机必须进行有关参数的计算。首先，计算功率和转速，选择出满足需要的电动机，然后进行验算。

功率：

滚动阻力：

空气阻力：

ηT为机械效率，取0.91，ua为行驶车速，a为坡度角，A为汽车迎风面积。

则功率：

最高转速：

D为轮胎直径：

由以上计算得出电机功率至少为1.92kW，转速最低为264r/min,我选用的是无刷永磁同步电机，因电动汽车用电动机的生产和设计使用未形成一定的标准和规则，故而选用了大地有限电气公司生产的一型号电动机，参数如表2所示。

表2 电动机参数

2.2 电池的选择

蓄电池是为电动汽车提供能量的重要装置，蓄电池的功率决定了电动汽车的加速和爬坡性能；而能量密度给出了其潜在的运行范围；循环寿命决定了蓄电池充电到满容量的次数；蓄电池的质量和体积在一定范围内影响着整个系统的效率。目前蓄电池技术也日趋成熟，不断有高新技术的电池问世。

酸蓄电池是技术最成熟的一种，成本也最低，考虑到成本和技术水平，本次选用铅酸蓄电池作为电动车的动力源。其中电压为电动机的电压48V，容量由电动车的蓄驶里程决定。

电动车能够行使的时间为：

电池的容量为：

s为续驶里程，P为电动机功率，Ua为电动机额定电压。

由以上计算可知，电池容量至少172Ah，我选择200Ah的铅酸蓄电池，电池电压为12V，所以需要4个蓄电池才能完成驱动。

2.3 电动机和电池的校核

电动机主要与电动汽车的驾驶性能密切相关，电动机的功率将直接决定它能提供的驱动力，转速直接影响最高车速，而它与蓄电池的配合工作将影响电动汽车的续驶里程。接下来我们将检验所选电动机能否满足要求，主要检验三个方面：电动机所提供的驱动力能否满足汽车行驶要求、汽车所能达到的最高车速是否符合要求和与蓄电池配合工作是否能够提供足够的续驶里程。

汽车行驶所需驱动力：

电动机所能提供的驱动力为：

最高车速：

续驶里程：

以上校核所得数据如表3所示。

表3 结果对比

通过以上验算可知，所选用的电动机和电池均符合要求，得出以下参数，如表4所示。

表4 汽车参数

3 其他各部分总成的设计

3.1 传动装置的设计

电动汽车除了用电动机及电池取代了发动机外，其他底盘布置与内燃机汽车并无明显差异。传动装置的功用是将发电动机输出的动力传递到驱动轮，使汽车以一定的车速正常行驶。电动汽车传动系统共有四种典型类型：机械传动形式、机电集成式传动、电动桥传动、电动轮传动。

本次设计的电动观光车采用后轮驱动模式，其传动形式如图1所示。

图1 电动观光车的传动形式

减速传动机构为一对格林森制弧齿锥齿轮，差速器行星齿轮我选用直齿锥齿轮，半轴选用全浮式半轴。

3.2 行驶装置的设计

汽车行驶装置一般包括车架、车桥、车轮和悬架。此次设计的电动观光车的行驶路况相对较好，车速不高，因此选用钢管式车架；前轴采用麦弗逊式悬架、断开式转向桥，后轴采用钢板弹簧非独立悬架、整体式驱动桥；轮胎选用子午线轮胎。

3.3 制动装置的设计

制动装置是汽车行驶时能使汽车在短时间内停车且维持行驶方向稳定性和下长坡时能维持一定车速的装置。制动装置包括制动器和制动驱动机构（包括供能装置、控制装置、传动装置、制动力调节装置、报警装置、压力保护装置等）。本次设计的电动观光车的前轮选用盘式制动器，后轮选用领从蹄式制动器。

4 电动观光车的优化

电动汽车与内燃机汽车相比有一个显著的特点，电动汽车的电动机既可正转产生电能，又可反转将机械能转化为电能，这一特点使电动汽车在制动时与其他内燃机汽车有很大差异，普通内燃机汽车制动时只由机械摩擦器产生制动力，而电动汽车的制动力则可由机械摩擦制动力和电机产生的制动力提供，将电动机产生的能够回收制动能量的制动力叫做再生制动力。如果电动汽车单纯的靠回收再生制动力制动，在紧急刹车时不能保证制动效能的有效性和行驶安全性，因此，电动汽车上还保留了传统的内燃机汽车制动时所使用的机械摩擦制动方式。同时这也带来了一个问题，要求良好的制动性能和尽可能大的回收制动能量这两方面是矛盾的，针对这一突出问题，此次设计将提出相关优化方案对沃森电动观光车的制动力分配进行改进方案，以提高使用性能并兼顾经济行驶、节能环保的目的。

能量回收受很多因素的制约，首先，制动力的分配应满足联合国经济委员会制定的ECE R13制动法规（对于z=0.1～0.61之间的各种车辆，要求制动强度）；其次，在传动过程中存在着各种摩擦耗能；另外，在能量转换过程中，各种铜耗、铁耗也将影响制动能量的回收。针对制动能量回收的高效性这一问题，本次设计提出了相关优化方案。

4.1 遗传算法

影响制动能量回收的因素主要有两个：机械制动力与再生制动力的分配比例；前、后轮机械摩擦制动力的分配比例。对于前、后轮机械摩擦制动力的分配比例可以采用遗传算法来确定。

遗传算法是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型发展起来的随机全局搜索和优化方法。它的本质是一种高效、并行、全局搜索的方法，它能在搜索过程中自动获取和积累有关空间搜索的知识，并自适应地控制搜索过程以求得最优解，适用于那些没有明确的函数关系和目标函数无法或者很难求导的问题。其计算流程如图2所示。

图2 遗传算法流程图

4.2 优化

制动力表达式为：

Fd为总需求制动力，Fm为电动机可提供制动力，Ff为前轮机械摩擦制动力，Fr为后轮机械摩擦制动力。

使用遗传算法优化上述问题时，在某一制动强度下各种制动力分配方案即为初始种群，在各种情况下所回收的制动能量为适应度值。遗传算法的实验参数选择：种群数目100，交叉概率0.8，变异概率0.01，进化代数100。例如在制动强度为0.55下的分配方案使用MATLAB遗传算法工具箱gatool的操作，运行后得出图3、图4和图5的数据图形。

图3 运行后得出的数据图形1

图4 运行后得出的数据图形2

图5 运行后得出的数据图形3

使用遗传算法得出的解即为最优解，可以在保证制动效能满足条件的情况下实现制动能量的高效回收。

5 结论

电动汽车制动能量的回收是电动汽车的一大优势，同时也是一项技术攻关。使用遗传算法对前、后轮机械摩擦制动力进行分配计算，最后得出最接近期望的最优解或次优解，能够提高电动汽车经济行驶的能力，对电动汽车的发展有一定的推动作用。

电动汽车的再生制动力和机械制动力分配除了受制动环境情况的影响外，还受电池荷电状态（SOC）的限制和车速的影响。当电池剩余容量很高时，为了防止过充电，再生制动力所占比例会相应小些，随着SOC的降低，再生制动比例又会随着相应增加；同样，车速较低时，再生制动回收能量效率较低，所占比例就会较小，车速较高时，比例也会有所提高。这一系列的问题均有待进一步的研究并提出切实可行的改进方案。

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