基于AMT純電動(dòng)客車動(dòng)力總成設(shè)計(jì)

張勇，趙學(xué)科，柳建新

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基于AMT純電動(dòng)客車動(dòng)力總成設(shè)計(jì)

張勇1，趙學(xué)科2，柳建新3

（1.重慶機(jī)電裝備技術(shù)研究院有限公司，重慶 401123；2.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331；3.重慶瑞時(shí)達(dá)動(dòng)力科技有限公司，重慶 401123）

以中型純電動(dòng)客車為研究對(duì)象，對(duì)動(dòng)力總成匹配關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、以及變速器參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)及選型，并通過AVL cruise軟件搭建整車動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真模型建立的準(zhǔn)確性及動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的合理性，同時(shí)，搭建動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)匹配完成的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為純電動(dòng)客車動(dòng)力總成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型提供依據(jù)。

汽車動(dòng)力系統(tǒng)；純電動(dòng)客車；AVL cruise；仿真分析

汽車動(dòng)力系統(tǒng)是汽車的核心組成部分，對(duì)于純電動(dòng)客車來說尤為重要。對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究是提高電動(dòng)客車性能的重要手段之一，其參數(shù)的選擇或匹配是否得當(dāng)，將會(huì)直接影響電動(dòng)客車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)型等關(guān)鍵性能。本文在分析市場(chǎng)上現(xiàn)有純電動(dòng)客車相關(guān)性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)典型城市公交實(shí)際狀況，對(duì)某公司正在開發(fā)的純電動(dòng)客車動(dòng)力總成進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出合理的整車基本參數(shù)與性能目標(biāo)參數(shù)，并且結(jié)合對(duì)其匹配的電機(jī)、電池和AMT變速箱的性能特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)匹配設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)要求

針對(duì)某款中型純電動(dòng)客車項(xiàng)目，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，要求滿足20%最大爬坡度動(dòng)力性要求，同時(shí)最高車速根據(jù)要求低于69 km/h。在參數(shù)匹配優(yōu)化過程中，需要根據(jù)整車需求指標(biāo)，不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而匹配出最佳的動(dòng)力系統(tǒng)，因此設(shè)計(jì)需求指標(biāo)的提出尤為重要。該中型純電動(dòng)車的整車參數(shù)及其性能要求，如表1所示。

表1 某款中型客車設(shè)計(jì)需求指標(biāo)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)匹配

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)公交客車測(cè)試工況為中國(guó)典型城市公交工況（CCBC）。該測(cè)試工況反映了全國(guó)大部分城市的公交運(yùn)行工況，具有廣泛的代表性。圖1為該工況的曲線圖。

圖1 CCBC工況

基于上述工況的平均車速均在20 km/h附近，平均車速較低；同時(shí)為滿足較高的動(dòng)力性指標(biāo)要求，故本次采用主驅(qū)動(dòng)電機(jī)＋變速器的方案。不僅可以調(diào)整電機(jī)的工作點(diǎn)至高效區(qū)，同時(shí)也可以提供較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力，滿足爬坡要求。系統(tǒng)的具體的構(gòu)型圖如圖2所示。

2.2 參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

在純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的過程中，要求匹配結(jié)果能同時(shí)滿足車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求。這樣才能保證實(shí)車運(yùn)行的過程中的動(dòng)力性能，同時(shí)也能做到降低生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)成本。本項(xiàng)目中的純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的內(nèi)容主要包括：電機(jī)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)及AMT變速器的參數(shù)匹配。

圖2 基于AMT純電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)

根據(jù)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)需求，其為滿足整車動(dòng)力性能指標(biāo)，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的需求如表2所示。

表2 滿足動(dòng)力性指標(biāo)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的需求

（1）電機(jī)參數(shù)匹配

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為純電動(dòng)客車唯一的驅(qū)動(dòng)裝置，為系統(tǒng)中最核心的部分，電機(jī)性能的優(yōu)劣將直接影響到整車的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇不僅能滿足純電動(dòng)客車的使用性能，而且還會(huì)減少其制造成本，將有利于純電動(dòng)客車的推廣應(yīng)用。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)匹配主要參考整車爬坡度以及最高車速需求。根據(jù)15 km/h車速10%持續(xù)爬坡，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定扭矩應(yīng)在300 N·m附近，額定轉(zhuǎn)速應(yīng)在2000 r/min附近；根據(jù)20 km/h車速14%持續(xù)爬坡，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值扭矩應(yīng)不小于550 N·m；根據(jù)最高車速的需求峰值轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于2500 r/min。

（2）電池參數(shù)匹配

動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車唯一的能量源，同時(shí)也是整車成本較高的一個(gè)關(guān)鍵部件。車用動(dòng)力電池應(yīng)具有高能量密度、充放電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好、良好的性價(jià)比以及免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠大倍率放電，能夠滿足不同行駛工況的需求，本次確定該純電動(dòng)客車使用磷酸鐵鋰電池作為其動(dòng)力源。

電池的匹配內(nèi)容主要包括額定電壓、額定容量的匹配。由于純電動(dòng)客車上不可避免使用多種電氣附件，如電動(dòng)空調(diào)、照明設(shè)備等，所以動(dòng)力電池組的額定電壓要略高于電機(jī)的額定電壓。故動(dòng)力電池電壓平臺(tái)選擇530 V高壓平臺(tái)，電池放電深度為85%。按照150 km續(xù)航里程、0.55 kWh/km的要求，需要裝載100 kWh的電量。

（3）變速器參數(shù)匹配

純電動(dòng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)一般分為固定檔傳動(dòng)和多檔位傳動(dòng)。其中，多檔位傳動(dòng)比固定檔傳動(dòng)具有更好的動(dòng)力性，加速性能要明顯好過固定檔傳動(dòng)，電機(jī)的高效區(qū)主要分布在額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)附近。同時(shí)，采用多檔位傳動(dòng)可以使電機(jī)更多的工作在高效區(qū)，可以降低整車單位里程所消耗能量。另外，采用多檔位傳動(dòng)可以降低對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的要求，利于降低整車成本。由于該客車質(zhì)量比較大，為滿足整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求，決定采用多檔位傳動(dòng)系統(tǒng)。

在電機(jī)輸出特性一定時(shí)，電動(dòng)汽車傳動(dòng)比的選擇取決于整車動(dòng)力性能指標(biāo)的要求，即應(yīng)該滿足汽車最高車速、爬坡性能以及加速性能的要求。根據(jù)整車需求指標(biāo)要求，本項(xiàng)目選用某款四擋AMT變速器，其速比分別為4/2.6/1.7/1，最大輸入扭矩600 N·m，最高輸入轉(zhuǎn)速3000 r/min。

綜上，基于上述各主要部件參數(shù)分析，因此本項(xiàng)目所述的基于AMT純電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配結(jié)果如表3所示。

表3 AMT純電動(dòng)動(dòng)力總成參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

3 仿真分析

在確定整車及其部件參數(shù)以后，需要對(duì)匹配結(jié)果進(jìn)行初步的驗(yàn)證和分析，AVL_CRUISE廣泛應(yīng)用于汽車性能仿真計(jì)算，其模塊化建模思想為搭建整車模型提供了方便。

3.1 模型搭建

為驗(yàn)證本項(xiàng)目電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的正確性與合理性。本次利用AVL_CRUISE軟件搭建整車動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證，搭建的電動(dòng)客車動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖3所示。整車動(dòng)力學(xué)仿真模型包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、減速器、車輪等模塊。

3.2 動(dòng)力性指標(biāo)驗(yàn)證

（1）10%持續(xù)爬坡工況

在10%持續(xù)爬坡工況下運(yùn)行，如圖4所示，可以滿足15 km/h爬坡車速要求。

（2）20%最大爬坡工況

在20%最大爬坡工況下運(yùn)行，如圖5所示可以滿足15 km/h爬坡車速要求。

（3）全加速工況

從圖6可以看出，整車滿足69 km/h最高車速需求，0～50 km/h加速時(shí)間16.5 s，滿足整車加速性能要求。

圖3 AMT純電動(dòng)整車仿真模型

圖4 10%持續(xù)爬坡工況跟隨情況

圖5 20%最大爬坡工況跟隨情況

圖6 全加速工況跟隨情況

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

圖7是CCBC工況下的車速跟隨情況，滿足工況測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

從圖8可以看出，CCBC工況下的百公里電耗為52 kWh，滿足設(shè)計(jì)需求。

從結(jié)果可以看出，汽車的實(shí)際車速能夠很好的吻合目標(biāo)車速，由爬坡性能仿真分析可得，客車動(dòng)力系統(tǒng)能夠滿足爬坡性能的要求。

圖7 CCBC工況跟隨情況

圖8 CCBC工況下的經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)架如圖9所示。其中，飛輪可以模擬如本文所述的8米車的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，測(cè)功機(jī)模擬道路阻力，電機(jī)＋AMT變速箱動(dòng)力總成提供動(dòng)力輸出。

在實(shí)際的測(cè)試過程中，可以通過中控操作臺(tái)的油門踏板和制動(dòng)踏板進(jìn)行工況模擬，測(cè)試整車性能。

圖10為0～50 km/h加速性能的臺(tái)架測(cè)試，從圖形可以看出0～50 km/h加速時(shí)間18.5 s滿足整車設(shè)計(jì)需求。

圖11為CCBC工況測(cè)試，從圖形中可以看出，整個(gè)過程滿足國(guó)標(biāo)測(cè)試需求。

圖12為CCBC工況測(cè)試過程中動(dòng)力電池SOC、電流與功率的變化，由數(shù)據(jù)計(jì)算得電耗為0.55 kWh/km，滿足設(shè)計(jì)需求指標(biāo)。

圖9 AMT動(dòng)力總成實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

圖10 0～50 km/h全加速工況實(shí)驗(yàn)

圖11 CCBC工況實(shí)驗(yàn)

圖12 CCBC工況實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5 結(jié)論

本文在深入分析純電動(dòng)客車動(dòng)力性能的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了為達(dá)到整車目標(biāo)性能參數(shù)，所需選用電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池以及變速器的參數(shù)，并驗(yàn)證了所匹配傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的正確性，為純電動(dòng)客車動(dòng)力總成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型提供依據(jù)。目前，通過以上參數(shù)匹配所選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、變速器均已在某中型純電動(dòng)客車上應(yīng)用，驗(yàn)證了項(xiàng)目中匹配方案的可行性。

[1]王燕燕. 純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及性能分析[J]. 汽車電器，2011（10）：31-33.

[2]李夏輔. 純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法仿真研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

[3]蔣亞東. 基于AMT的純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配[D]. 重慶：重慶理工大學(xué)，2015.

[4]劉志. 基于AMT的電動(dòng)汽車動(dòng)力特性研究[D]. 重慶：重慶理工大學(xué)，2015.

The Design of Pure Electric Vehicle Powertrain Based on AMT

ZHANG Yong1，ZHAO Xueke2，LIU Jianxin3

( 1.Chongqing Machinery & Electronic Equipment Technology Research Academy,Chongqing 401123,China; 2.Chongqing College of Electronic Engineering, Chongqing 401331, China; 3.Chongqing Restart Power Technology Co.,Ltd., Chongqing 401123, China)

This article takes medium-sized pure electric Vehicle as the research object, and studies the key technologies of powertrain matching, including the matching design and selection of drive motors, power batteries, and transmission parameters. The AVL cruise software is used to build the dynamic model of the vehicle and the power system simulation test is conducted to verify the accuracy of the simulation model establishment and the rationality of the dynamic system parameter matching. At the same time, a powertrain test bench was constructed to perform dynamic and economical tests on the matched system and compare it with simulation results. It provides the basis for the design and selection of the power electric bus powertrain system.

automobile driveline；electric bus；AVL cruise；simulation analysis

U271

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.06.010

1006－0316 (2018) 06－0056－05

2017－09－27

張勇（1980－），男，重慶人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槠噦鲃?dòng)系統(tǒng)。