純電動大客車動力傳動系統(tǒng)的研究*

趙立峰，李云清，何 鵬，劉 偉，于秀敏

(1.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長春 130025;2.北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

前言

電動汽車以其噪聲小、零排放等優(yōu)點(diǎn)成為21世紀(jì)的重要交通工具和清潔汽車技術(shù)的最佳解決方案［1-2］。純電動客車動力總成主要包括能源系統(tǒng)、變速系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)。動力總成是電動汽車的關(guān)鍵系統(tǒng)［3］，決定了整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性，是電動汽車實(shí)用化的關(guān)鍵系統(tǒng)［4］。能源系統(tǒng)主要是由動力電池和相關(guān)的管理系統(tǒng)組成。驅(qū)動系統(tǒng)是由驅(qū)動電機(jī)及其控制器、機(jī)械變速及傳動系統(tǒng)和車輪等構(gòu)成，動力總成在整車控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制下［5］，實(shí)現(xiàn)駕駛員的操縱意圖。

車輛在城市內(nèi)行駛，尤其是在大城市或交通高峰期間，平均時速很低，據(jù)統(tǒng)計平均為20～40km/h，其起動和停車頻繁。針對城市工況特點(diǎn)和電機(jī)機(jī)械特性，提出了使用手動離合器結(jié)合3擋變速器為主要特征的動力傳動系統(tǒng)，一方面兼顧了行駛中起停頻繁而帶來的沖擊，以及動力分離和結(jié)合頻繁問題;另一方面通過3擋變速器滿足整車動力要求，并使電機(jī)有更高的概率工作在高效區(qū)，可提高整車城市工況的經(jīng)濟(jì)性。

1 整車概述

電動客車采用傳統(tǒng)客車底盤如圖1所示，電動客車基本參數(shù)見表1。

表1 底盤基本參數(shù)

采用傳統(tǒng)底盤可利用現(xiàn)有底盤技術(shù)，主要對動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，同時根據(jù)整車對電量的需求配備動力電池箱。

大客車動力傳動系統(tǒng)峰值功率由加速性能、爬坡性能和高速行駛指標(biāo)決定。利用車輛動力學(xué)理論，通過計算汽車按要求指標(biāo)運(yùn)行的驅(qū)動力和行駛阻力平衡方程，得到指標(biāo)要求下的動力傳動系統(tǒng)所需的最大功率。

汽車行駛過程中，尤其是高速行駛時，由于汽車受到的風(fēng)阻快速增長，所以需求的驅(qū)動功率也快速增加。汽車行駛過程中受到的阻力如圖2所示。根據(jù)最高車速須達(dá)到80km/h的設(shè)計目標(biāo)，就可確定最高車速時動力傳動系統(tǒng)要提供84kW的功率。

在爬坡工況中，由于要克服坡道阻力，要求動力傳動系統(tǒng)提供較大的驅(qū)動力克服坡道阻力，所以汽車爬坡過程中動力系統(tǒng)也提供足夠大的功率。如圖3所示，以15km/h的車速爬坡，坡道按照18%的要求計算，動力系統(tǒng)須提供143kW的動力。

根據(jù)動力電機(jī)最大功率應(yīng)滿足整車最大功率需求的原則，要求動力系統(tǒng)能提供大于143kW的動力，以滿足爬坡極限工況下對動力的峰值需求。

實(shí)際平路行駛過程中，峰值功率工作時間很短，以整車最高車速下的功率為額定功率，同時要求提供一定的儲備功率，所以額定功率為100kW;以平均車速40km/h行駛時，需要的驅(qū)動功率為39.58kW，額定功率可滿足過載條件(過載能力系數(shù)≥2)，因此取電機(jī)額定功率為100kW，峰值功率為150kW。

按照車輛爬坡18%的要求，根據(jù)動力傳動系統(tǒng)可使用的傳動比計算，電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩≥600N·m，車輛行駛過程中的驅(qū)動力和阻力如圖4所示。

同時根據(jù)儲備一定轉(zhuǎn)矩的設(shè)計要求，轉(zhuǎn)矩為800N·m比較合適。提高轉(zhuǎn)矩可提升整車的動力性，但是電機(jī)質(zhì)量會隨之增加。

2 動力傳動系統(tǒng)

電動車動力傳動系統(tǒng)主要由能量系統(tǒng)、動力電機(jī)、離合器、變速器、傳動軸和后車橋組成。

2.1 電機(jī)系統(tǒng)

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)可高效地把蓄電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出給傳動系統(tǒng)，對于采用超級電容回收系統(tǒng)的電動車，也是回收制動能的關(guān)鍵系統(tǒng)，電機(jī)系統(tǒng)主要根據(jù)車輛的性能、駕駛需求和車載能源性能來設(shè)計。

高速電機(jī)(轉(zhuǎn)速在6 000r/min以上的動力電機(jī))成本高、制造工藝復(fù)雜，在純電動大客車上少有應(yīng)用。電動大客車采用了變速器，使整車對電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等性能要求降低，選用低速電機(jī)可滿足性能需要，較大地擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)值有利于整車的動力性，即在電機(jī)低速區(qū)域獲得較大的轉(zhuǎn)矩;過大的系數(shù)會增大電機(jī)電流和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計難度。針對我國驅(qū)動電機(jī)狀況，系數(shù)在2～4之間為宜。計算出電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速應(yīng)在1 500～3 000r/min之間。針對該車的具體情況，結(jié)合主減速器和變速器的速比，額定轉(zhuǎn)速定位為1 600～2 000r/min之間為宜;電動客車針對城市工況設(shè)計，額定轉(zhuǎn)速較低有利于客車行駛過程中更多地使用電機(jī)高效區(qū)，額定轉(zhuǎn)速較高有利于客車的動力性。

但在汽車的行駛速度一定時，如考慮直接擋為正常行駛擋，電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速越高，則傳動速比越大，有可能加大主減速器的速比和尺寸。因此電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)視具體情況，綜合考慮以上因素來確定。確定額定轉(zhuǎn)速為1 600～2 000r/min，最高轉(zhuǎn)速為3倍額定轉(zhuǎn)速。永磁無刷直流電機(jī)的機(jī)械特性如圖5所示，在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速前是恒轉(zhuǎn)矩輸出，在額定轉(zhuǎn)速后是恒功率輸出。電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩特性有利城市工況下的頻繁起動，較傳統(tǒng)汽車而言，綜合效率非常高。

2.2 變速系統(tǒng)研究

目前，純電動客車有的采用兩擋機(jī)械變速器，其缺點(diǎn)是不能充分發(fā)揮電機(jī)特點(diǎn)，導(dǎo)致整車經(jīng)濟(jì)性較低和整車動力性能差等一系列問題，同時在沒有離合器的情況下，兩擋變速器的換擋操縱通常是在車速較慢的情況下完成，行車過程中不便換擋，對車輛的操縱性能帶來很大的影響。純電動客車有的采用機(jī)械式自動變速器，從AMT目前的情況來看，由于增加了自動換擋結(jié)構(gòu)，其可靠性下降，在實(shí)際使用中存在問題;而且動力傳動系統(tǒng)成本增加較大。綜上所述，手動機(jī)械式變速器是目前最為高效的解決方案。采用3擋變速器后，可提高整車的動力性，尤其是對改善車輛起步性能的效果顯著，通過調(diào)整齒輪速比可進(jìn)一步改善動力性能;使用變速器后，可使動力電機(jī)的高效區(qū)覆蓋車輛行駛的低速區(qū)域，對通常采用兩擋和減速器的變速系統(tǒng)而言，高效區(qū)域覆蓋的車速區(qū)域較小，3擋變速器使電機(jī)高效區(qū)整體覆蓋范圍增大，可有效提高整車能耗經(jīng)濟(jì)性。如圖6所示，圖中圓圈區(qū)域?yàn)殡姍C(jī)高效區(qū)域，采用3擋變速器后高效區(qū)顯著增大。

2.3 電池系統(tǒng)

目前用于車輛的動力電池主要有鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、磷酸鐵鋰電池和鎳氫電池等。

鉛酸電池具有成本低、使用范圍廣等方面的優(yōu)點(diǎn)，但是有能量密度低和壽命短等缺點(diǎn)，目前仍然有廣泛的應(yīng)用。磷酸鐵鋰電池具有成本低、環(huán)保性能好和安全性好等優(yōu)點(diǎn)，但是能量密度一般、制造工藝復(fù)雜。鋰離子類電池具有性能較為優(yōu)異的特點(diǎn)，其性能的提高和成本降低的潛力都比較大，所以鋰離子電池是目前純電動汽車的最佳動力電池選擇。

電動車能耗計算與傳統(tǒng)車輛類似，采用單位里程電能消耗進(jìn)行評價［6］

式中:e為電動汽車的單位里程能耗;E為電動車電池總能量;s為電動車?yán)m(xù)駛里程;En為電池額定總能量;ξE為實(shí)際可用能量系數(shù)。

電動汽車比能耗為

式中:e0為電動車比能耗;m為電動車整車質(zhì)量。

續(xù)駛里程s為

3 動力傳動系統(tǒng)工況特性研究

動力傳動系統(tǒng)的基本參數(shù)見表2。

表2 動力傳動系統(tǒng)基本參數(shù)

動力傳動系統(tǒng)特性分析時采用的典型城市工況如圖7所示。在城市道路行駛時，起動和停車頻繁，平均時速只有20～30km/h，在實(shí)際應(yīng)用中須使動力傳動系統(tǒng)具有良好的低速工況經(jīng)濟(jì)性。

圖8為運(yùn)行工況點(diǎn)在電機(jī)特性圖上的分布。由圖可見，在轉(zhuǎn)速1 500～3 000r/min區(qū)間，工況出現(xiàn)的概率較高，根據(jù)電機(jī)機(jī)械特性，在1倍～2倍基速區(qū)間是電機(jī)的高效區(qū)間，同時在此區(qū)間電機(jī)轉(zhuǎn)矩較大時效率較高，典型城市工況基本映射在電機(jī)高效率區(qū)間，使用工況逆向匹配電機(jī)效率區(qū)間的方法，可充分利用電機(jī)效率特性，進(jìn)一步提高整車經(jīng)濟(jì)性。

4 整車動力性研究

4.1 整車能耗計算

基于車輛動力學(xué)理論，對整車進(jìn)行了仿真，車輛行駛過程中能量系統(tǒng)的狀態(tài)如圖9所示。如果開啟制動能回收，續(xù)駛里程延長約10%;行駛過程中時速40km/h，實(shí)際消耗功率約20kW，電動車能量消耗1.02kW·h/km，車輛勻速行駛過程能耗較為節(jié)約，頻繁制動和起動是能耗增加的主要因素。

4.2 道路測試

按照國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，對樣車進(jìn)行了道路測試，具體結(jié)果見表3。車輛基本性能達(dá)到技術(shù)要求，說明所采用的動力傳動系統(tǒng)是一種有效的解決方案。

表3 整車測試結(jié)果

5 結(jié)論

(1)用于城市公交的電動客車，針對城市工況下的低速、頻繁停車和起動等為特征的行駛特點(diǎn)，通過動力傳動系統(tǒng)的逆向匹配，使電機(jī)在城市工況中更多地工作在高效區(qū)。

(2)動力傳動總成系統(tǒng)匹配特性主要有電機(jī)機(jī)械特性、離合器特性、變速器各擋速比以及主減速器速比和輪胎尺寸等，通過動力傳動系統(tǒng)特性匹配，滿足整車爬坡、高速和起動等動力要求，同時兼顧整車能耗的經(jīng)濟(jì)性。

［1］ 陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2002.

［2］ 李國良，初亮，魯和安.電動汽車?yán)m(xù)駛里程的影響因素［J］.吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，30(3):20-30.

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［4］ 杜發(fā)榮，吳志新.電動汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計和續(xù)駛里程研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2006，37(11):10-11.

［5］ 席軍強(qiáng)，王雷，付文清，等.純電動客車自動機(jī)械變速器換擋過程控制［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報，2010，30(1):42-45.

［6］ 何洪文，余曉江，孫逢春.電動車輛設(shè)計中的匹配理論研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報，2002，22(6):12-15.