安凱G6型純電動客車設(shè)計(jì)開發(fā)

郭蘇明

(安徽安凱汽車股份有限公司，合肥 230051)

當(dāng)前，國內(nèi)主要城市客車幾乎全部電動化。隨著國家城鄉(xiāng)一體化改造政策的逐步推廣，6～7 m純電動城市客車將成為重點(diǎn)產(chǎn)品。為此，我司開發(fā)了G6型純電動客車。

1 整車概況

安凱G6型純電動客車，更多地考慮在城郊、縣郊和鎮(zhèn)村使用。采用長軸距、短后懸設(shè)計(jì)，充分利用車內(nèi)中部空間，提高最大乘員數(shù)；采用前中開門、二級踏步、高扁平率輪胎、降低入口高度設(shè)計(jì)，便于乘客(尤其是老人和小孩)快速、便捷、安全地上下車，方便換乘分流[1]。采用較窄車寬，適當(dāng)?shù)亟档蛙嚿砀叨?，縮小轉(zhuǎn)彎半徑，提高整車通過性，對道路寬度及路況環(huán)境要求降低，充分適應(yīng)城郊、縣效、鎮(zhèn)村道路的實(shí)際狀況，提高了運(yùn)載的通勤效率、上客率和靈活性，大大降低了運(yùn)營成本。

車身采用桁架式骨架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輕量化[2]；通過半承載底盤結(jié)構(gòu)，提高整車的被動安全性。車架采用現(xiàn)有成熟的三段式彎縱梁結(jié)構(gòu)，可靠性高；其中部采用桁架式結(jié)構(gòu)，提高整體剛度的同時，最大限度增加了電池安裝空間[3]。通過進(jìn)行CAE分析優(yōu)化，確保骨架強(qiáng)度和剛度[4]。前后橋標(biāo)配板簧懸架，提高對不良路況的適應(yīng)性。由于電動車電池較重，且前部開門狀態(tài)前懸較長，前橋載荷與普通8～10 m城市客車不同，其前軸載荷分配比例更大，為此專門開發(fā)3.5 t加強(qiáng)型窄輪距前橋，承載能力強(qiáng)，以充分滿足公交工況的使用要求。

主要技術(shù)參數(shù)如下：整車長6 540 mm，寬2 100 mm，高2 970 mm(帶空調(diào))，軸距3 200 mm；車內(nèi)最大凈高2 000 mm；前后輪距分別為1 777 mm/1 586 mm；最大乘員數(shù)45人，整備質(zhì)量5 200 kg(帶空調(diào))；最大爬坡度(滿載)≥16%；綜合工況電耗(不開空調(diào))≤480 Wh/km；續(xù)駛里程336 km(半載40 km/h等速，不開空調(diào))。

2 動力系統(tǒng)技術(shù)方案

2.1 動力系統(tǒng)主要構(gòu)成

G6車型仍采用成熟的中央電機(jī)直驅(qū)方式[5]。動力系統(tǒng)主要由整車控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)4個部分構(gòu)成。整車控制系統(tǒng)主要完成整車控制及能源管理顯示兩部分功能，通過采集整車各個子系統(tǒng)的運(yùn)行信息并進(jìn)行監(jiān)控和診斷，建立通信，將驅(qū)動系統(tǒng)和車載能源管理系統(tǒng)有機(jī)地聯(lián)系起來，完成整個動力系統(tǒng)總成的控制功能。輔助系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向泵、打氣泵、DC/DC等。駕駛員向整車控制器發(fā)送操作指令后，電機(jī)控制器立即接收整車控制器的指令，實(shí)現(xiàn)整車的各種運(yùn)動狀態(tài)[5]。

2.2 驅(qū)動電機(jī)匹配選型設(shè)計(jì)

驅(qū)動電機(jī)采用安凱自主研發(fā)制造的高效率永磁同步電機(jī)。電機(jī)及電機(jī)控制器散熱采用水冷方式[6]。

2.2.1 電機(jī)功率計(jì)算

根據(jù)汽車?yán)碚揫7]，汽車的功率平衡關(guān)系為：

電機(jī)功率應(yīng)滿足以下3個功能需求：

1)最高車速需求功率Pm1：

Pm1=(Gf/3 600+CDAVa2/76 140)Va/η

2)加速時間需求功率Pm2：

3)最大爬坡度需求功率Pm3：

代入相關(guān)參數(shù)，即可計(jì)算出Pm1、Pm2、Pm3分別為33.8 kW、87.2 kW、59.2 kW。

2.2.2 電機(jī)扭矩計(jì)算

電機(jī)的扭矩計(jì)算，主要根據(jù)車輛最大爬坡度需求和加速需求的扭矩決定。

1)最大爬坡度需求扭矩Tm

2)加速需求扭矩M

通過計(jì)算，Tm、M分別為820.8 Nm、396.3 Nm。

2.2.3 轉(zhuǎn)速參數(shù)確定

轉(zhuǎn)速參數(shù)要符合最高車速需求，同時要符合最佳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速需求，以降低電耗。計(jì)算公式為[7]：

n=uaigio/0.377r

根據(jù)城市客車的路譜分析，結(jié)合本車型的市場定位，計(jì)算額定轉(zhuǎn)速時需根據(jù)額定扭矩進(jìn)行確定，同時保證常用車速35～55 km/h在最佳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(即額定扭矩值時的轉(zhuǎn)速范圍)。通過計(jì)算，最佳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速，即額定轉(zhuǎn)速應(yīng)在933.3～1 466.7 r/min。

通過電機(jī)最佳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速的計(jì)算，擬選定驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 200 r/min，同時考慮通用化設(shè)計(jì)，選擇現(xiàn)有成熟電機(jī)狀態(tài)，標(biāo)定最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min。由于城市客車最高車速限值為69 km/h，需驗(yàn)證非限速情況下，最高車速應(yīng)適當(dāng)高于69 km/h。經(jīng)過計(jì)算，本車型最高車速(不進(jìn)行軟件控制的情況下)約為89 km/h。最終選定驅(qū)動電機(jī)性能參數(shù)見表1。

表1 驅(qū)動電機(jī)主要性能參數(shù)

2.3 驅(qū)動電機(jī)控制器匹配

電機(jī)控制器相關(guān)功能集成在五合一控制器中，充分做到集成化、輕量化、通用化設(shè)計(jì)，而且高度集成的高壓控制柜占用空間小，充分解決電器艙空間緊張、不好布置的問題。電機(jī)控制器具體性能參數(shù)見表2。

表2 電機(jī)控制器主要性能參數(shù)

2.4 動力電池匹配

考慮到城郊公交運(yùn)營時間長、使用環(huán)境相對復(fù)雜的特點(diǎn)，本項(xiàng)目選用安全性更高、能量密度更大的磷酸鐵鋰電池[8]。動力電池要滿足電機(jī)最大功率輸出需求，同時參照電池廠家的電芯特性和電池箱規(guī)格，確定動力電池的額定總電壓為460.8 V。

動力電池容量的確定必須考慮以下幾個因素：路況、純電動里程、電池組一致性、最低SOC等。其計(jì)算公式為：

Qbat=Qbat0/(λcλa)

式中：Qbat0為動力電池理想狀態(tài)(一致性好、SOC精度高、性能不衰退)下，滿足純電動續(xù)駛里程所需要的電量；λc為一致性修正參數(shù)，本文取0.95；λa為SOC估計(jì)精度修正參數(shù)，本文取0.95。從中國城市客車典型工況[8]、等速40 km/h工況分別計(jì)算電池所需容量。

按中國城市客車典型工況、純電續(xù)駛里程200 km計(jì)算，所需電池容量為202 Ah；按等速40 km/h工況、純電續(xù)駛里程300 km計(jì)算，所需電池容量為209.9 Ah。因所選電池單體容量為105 Ah(3.2 V),所以動力電池系統(tǒng)總?cè)萘窟x擇210 Ah，可以同時滿足以上兩種工況要求。此時電池存儲能量460.8 V×210 Ah=96.8 kWh。磷酸鐵鋰動力電池系統(tǒng)最大脈沖充放電電流可達(dá)250 A(對應(yīng)功率115 kW)，持續(xù)放電電流可達(dá)210 A (對應(yīng)功率97 kW)，可以滿足整車額定功率和極限功率需求。防護(hù)等級為IP67，采用自然冷卻方式。電池組其他參數(shù)見表3。

表3 電池組其他參數(shù)

3 仿真分析及驗(yàn)證

3.1 仿真模型的搭建

Cruise是針對汽車整車及部件性能的仿真軟件，可以用于車輛的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及排放性能的仿真，利用其模塊化的建模方法可以直觀和便捷地搭建不同布置結(jié)構(gòu)的車輛模型[9]。本文使用Cruise搭建的整車仿真模型如圖1所示。

圖1 Cruise整車仿真模型

3.2 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)純電動汽車仿真的要求，選擇和編輯相應(yīng)的任務(wù)及工況，設(shè)置合適的仿真步長和精度。設(shè)定的計(jì)算任務(wù)有：在任務(wù)Constant Drive中仿真最高速度和加速性能；在任務(wù)Climbing Performance中仿真最大爬坡度；在任務(wù)Cycle Run中仿真續(xù)駛里程[10]。運(yùn)行Cruise，得到仿真結(jié)果見表4。其中續(xù)駛里程是以充滿狀態(tài)開始到規(guī)定的SOC下限值10%、40 km/h勻速行駛工況為仿真條件。

表4 性能仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

樣車在試制實(shí)驗(yàn)過程中順利通過了各種國家規(guī)定的性能測試項(xiàng)目，同時通過5 000 km的可靠性實(shí)驗(yàn)。有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

4 結(jié)束語

安凱G6型純電動城市客車解決了城郊、縣郊、鎮(zhèn)村公交實(shí)際載客需求和運(yùn)行路況復(fù)雜的問題，受到一線、二線城市郊區(qū)、三四線城市城鄉(xiāng)結(jié)合部以及廣大縣級、鎮(zhèn)村級公交公司的歡迎。目前已在全國多地批量運(yùn)營，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。