純電動城市客車動力系統(tǒng)匹配設(shè)計

高奇，李學博，劉峰云，譚子胡

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

前言

隨著能源、環(huán)境問題的日益嚴重，節(jié)能減排成為行業(yè)發(fā)展趨勢，新能源汽車得到長足發(fā)展，例如混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車[1]。純電動汽車以電動機代替燃油機，結(jié)構(gòu)簡單，噪聲低，無污染，零排放，優(yōu)勢明顯[2]。同時其平穩(wěn)性突出，尤其適用于城市道路。近年來，純電動城市客車發(fā)展迅猛，技術(shù)日趨于成熟，關(guān)于其動力系統(tǒng)的優(yōu)化匹配也在持續(xù)研究中。文中對12m大型純電動城市客車動力系統(tǒng)進行匹配設(shè)計，主要包括電機、變速器、電池參數(shù)匹配，得到滿足于動力性的純電動城市客車整車動力系統(tǒng)。

1 整車參數(shù)

本文車型為12米純電動城市客車，車身整體參數(shù)如表1所示。

表1 車身整體尺寸

2 動力系統(tǒng)匹配設(shè)計

與傳統(tǒng)汽車不同，純電動汽車的動力系統(tǒng)一般由電機系統(tǒng)，電控系統(tǒng)，電池系統(tǒng)構(gòu)成。

2.1 電動汽車動力系統(tǒng)選型

電動汽車的動力系統(tǒng)多種多樣，在以下幾種動力系統(tǒng)設(shè)計方案中[3]（圖1），本文選取一種作為研究選型。

圖1 純電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計類型

（a）類由傳統(tǒng)車改造而來，直接由電動機替代發(fā)動機，性能可靠，但結(jié)構(gòu)較為復雜，電動車優(yōu)勢體現(xiàn)不佳。

（b）類只有必要的主減速器、電動機、差速器，結(jié)構(gòu)簡單，傳動系得到簡化，但調(diào)速范圍較窄，高速性能不佳。但由于城市客車低速情況較多，應用性良好。

（c）（d）類的傳動系統(tǒng)位于后軸，極大地縮減了傳動系統(tǒng)空間，結(jié)構(gòu)簡單，但控制較為復雜。（c）類只有一個電機，功率較小，一般為小型車使用。（d）類為分布式驅(qū)動，使用電子差速器，易于控制，可以在大型車上使用。

（e）（f）類為輪邊電機和輪轂電機模式，進一步縮小了動力系統(tǒng)的空間。輪邊電機發(fā)展較為成熟，目前已開始應用。輪轂電機由于完全依靠電機，功率較低，結(jié)構(gòu)復雜，可靠性低，目前多見于特種車和概念車上。

圖2 本文車輛動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本文最終選定動力系統(tǒng)為（b）型，外加了一個自動變速器（圖2），結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠。

2.2 電機選取

2.2.1 電機類型選取

電機是純電動汽車和新能源汽車的關(guān)鍵部件，一般對其要求如下：

（1）效率高；

（2）體積小，重量輕；

（3）在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有低速大轉(zhuǎn)矩特性和較大的恒功率區(qū)；

（4）高可靠性和安全性。

常用的電機有直流電機，交流異步電機，永磁同步電機，輪轂電機等其他電機。直流電機調(diào)速性能好，起動力矩低，控制簡單，但由于其電刷和機械換向裝置，易起火花，不易在多塵，潮濕易爆的環(huán)境下使用。異步電機可靠性高、成本低，大型高速電動車使用較多。永磁同步電機有高控制精度，高轉(zhuǎn)矩密度，良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性和低振動噪聲等特點，同時通過合理的設(shè)計永磁磁路結(jié)構(gòu)能獲得較高的弱磁性能，是一種能較為理想的電動車電機。本文選取永磁同步電機為動力電機。

2.2.2 電機參數(shù)匹配設(shè)計

對于電機型號的選取則要考慮各方面的因素，如動力、體積、質(zhì)量等。首先給出車輛動力性所需參數(shù)，其次進行動力計算，參數(shù)如表2所示。

表2 整車動力系統(tǒng)參數(shù)

（1）電機功率確定

電動機所具有的額定功率和最大功率必須滿足汽車在正常情況下的基本行駛和在極端情況下對于最高車速，最大爬坡度和最大加速度的要求。

常用功率公式為：

即

其中，Pn為電機額定功率；Ur為車速；f為滾動阻力系數(shù)；m為車身總質(zhì)量；α為坡度角；Cd為風阻系數(shù)；A為迎風面積；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)為加速度。

①最高車速時，即峰值功率應大于等于客車在無坡度路面上以最高車速勻速行駛時所受到的阻力功率[4]-[5]，計算公式如式5所示：

將最大車速80km/h，效率0.92，滾動阻力系數(shù)0.016，車重 18000Kg，風阻系數(shù) 0.8，迎風面積 7m2帶入公式得：Pn1=109kW，取110kW。

②最大爬坡時，要求滿足的最大功率

此種情況下默認車速為15km，加速度為零，計算如式6所示：

帶入上表數(shù)據(jù)得：

③在最大加速度時，要求滿足的最大功率

此種情況下默認爬坡度為零，如式7所示：

帶入表2數(shù)據(jù)得：Pn3=138.98。

在計算得出功率后，須乘以一個功率系數(shù)，國標規(guī)定電動客車的功率系數(shù)為1.5～1.8之間，即

以上為電機的峰值功率，由此可計算電機的額定功率，即有公式如下：

此式中，P額—電機的額定功率；

Pmax—電機的峰值功率；

λ—電機的過載系數(shù)；

過載系數(shù)一般為1.5～2之間，即額定功率為70～166kW之間，可選取150kW。

（2）電機轉(zhuǎn)速的選定

對于城市客車，車速要較低，一般選用低速電機，電機轉(zhuǎn)速較低時在相同的功率下會輸出更大的扭矩，符合城市客車的需求。低速電機轉(zhuǎn)速低于4000r/min，公式如下：

其中，nr為額定轉(zhuǎn)速；nmax為最高轉(zhuǎn)速；β為電機擴大恒功率區(qū)系數(shù)，一般取 2～4。因此，電機的額定轉(zhuǎn)速可定為1500～3000r/min。

（3）電機參數(shù)確定

據(jù)上，最終選定電機為YGDC-150永磁無刷直流電機，具體參數(shù)如表3所示：

表3 電機參數(shù)

3 傳動系統(tǒng)的設(shè)計

由于電機技術(shù)目前還不夠成熟，在低轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)矩不高，低速大轉(zhuǎn)矩一直是電機技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。所以較為實用的純電動城市客車，尤其是在只有一個電機的情況下一般都配備有變速器，來提高整車的動力性，平穩(wěn)性。

相對于低速電機，高速電機的造價較高，且它們對與其配套的軸承等有著很高的要求，過高的轉(zhuǎn)速還會增加機械損失[6]。

就一般性而言，傳動比越大，動力性越好，但是由于在傳動比增大的情況下成本和工藝的要求也會提高。由于車輛在最小傳動比時其最高車速最高，為了既滿足加速性又滿足最高車速的要求，一般在C曲線的45度左右進行傳動比的選取[7]。同時，電機的使用過程中還要考慮到電機是否處于額定功率或額定轉(zhuǎn)矩的附近，以便提高電機的效率，保證動力性和行駛里程，延長電機的使用壽命。

在本文中設(shè)定傳動系統(tǒng)為主減速器和自動變速器（AMT）連接。AMT有三個檔位組成。

3.1 最小傳動比的確定

最小傳動比一般對應于汽車的最大速度，電機的最大轉(zhuǎn)速，所以在計算的過程中根據(jù)以上兩個量進行匹配計算，如式12所示：

即

帶入車速80km/h，r為480mm，n為3000，得

3.2 最大傳動比的選擇

最大傳動比一般對應汽車的動力性指標，如最大爬坡度，高速行駛時的行駛阻力，一般計算如下。

即得

①最大爬坡的情況

即有

②最高車速的情況

即有

由于此種情況阻力較小，所以采用最大爬坡時所計算出的傳動比，取值為3。

傳動系統(tǒng)參數(shù)如表4所示。

表4 傳動系統(tǒng)參數(shù)

4 電池的選定

4.1 動力電池類型選定

動力電池的一般性能指標有以下幾點：容量，能量，能量密度，功率密度，電壓和內(nèi)阻，使用壽命，溫度等。動力電池的選擇要考慮成本、質(zhì)量、體積等方面因素。

鉛酸蓄電池是最早的動力電池，目前技術(shù)上已趨于成熟。低成本，高可靠性，較好的高低溫性能，能量效率高（75%～80%）使其應用廣泛。但是，比能量低，使用壽命短也成為其發(fā)展的局限性。

鋰電池是一類以金屬鋰作為活性極（負極）物質(zhì)電池的總稱。其比能量大，電壓高，放電平穩(wěn)，溫度范圍大，壽命長等特點正使它成為最具發(fā)展?jié)摿Φ碾姵?。按照電極來分，有鋰離子電池，磷酸鐵鋰電池，聚合物鋰電池等。磷酸鐵鋰電池正極為磷酸鐵鋰，負極為鋰，其正極材料原料廣，成本低，安全環(huán)保，壽命長，耐高溫，充放電特性良好，無記憶效應。此電池的最大優(yōu)點是安全性好，在損傷的情況下不會燃燒爆炸，這使車輛的安全性有了很大的保障。所以，它也是目前各大企業(yè)的首選電池，如宇通的純電動公交等。

為使車輛達到一定的安全性，穩(wěn)定性，本文中采用磷酸鐵鋰電池。

4.2 電池參數(shù)計算

電池組是純電動城市客車的動力來源，是其重要組成部件[8]，以下就電池組參數(shù)進行計算，以兩種方法為例。

4.2.1 方法一

此種方法用額定里程量來計算所需電池容量。

（1）電壓的選定

根據(jù)前面所選的電機，其電壓為500V，所以電池組的電壓要高于500V，才可與電機匹配，具體數(shù)值計算如下。

（2）電池容量的計算

根據(jù)前面設(shè)定的汽車性能，里程要求為在40km/h的情況下行駛200km。

①計算損耗總能量如下式所示

②電池的能量

記電池能量為W，即W≥W0；

又

W為電池能量；U為電壓；C為容量；ξ為有效放電容量系數(shù)，約為1.2～1.3；

即

Q為總電量。

每塊單體電池電壓為 3.2V，選定電池組額定電壓為520V，采用十箱電池。

即總電池數(shù)量為：

單體容量為：

即可選用500A·h的電池160塊，十箱。

4.2.2 方法二

此種方法用單位耗能量來計算所需電池容量。

引出一個單位耗能系數(shù) φ，城市客車約為 0.035～0.055kW·h /t/km。

選取φ為0.05 kW·h/t/km，引入理論電池總能量。

計算實際電池總能量，需要加入應用系數(shù)ξ，約為1.2～1.3；即：

又N=160，

取430A·h，或500 A·h。

電池參數(shù)如表5所述。

表5 電池參數(shù)

4 結(jié)論

在滿足動力性的情況下，本文系統(tǒng)地對12m大型純電動城市客車的動力系統(tǒng)做了匹配計算，并對電機選型，電池選型和布置形式做了介紹，完成了純電動城市客車的動力系統(tǒng)參數(shù)匹配。