纯电动城市客车动力系统匹配设计

2018-08-29高奇李学博刘峰云谭子胡

汽车实用技术 2018年15期

高奇，李学博，刘峰云，谭子胡

（长安大学汽车学院，陕西西安 710064）

前言

随着能源、环境问题的日益严重，节能减排成为行业发展趋势，新能源汽车得到长足发展，例如混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车[1]。纯电动汽车以电动机代替燃油机，结构简单，噪声低，无污染，零排放，优势明显[2]。同时其平稳性突出，尤其适用于城市道路。近年来，纯电动城市客车发展迅猛，技术日趋于成熟，关于其动力系统的优化匹配也在持续研究中。文中对12m大型纯电动城市客车动力系统进行匹配设计，主要包括电机、变速器、电池参数匹配，得到满足于动力性的纯电动城市客车整车动力系统。

1 整车参数

本文车型为12米纯电动城市客车，车身整体参数如表1所示。

表1 车身整体尺寸

2 动力系统匹配设计

与传统汽车不同，纯电动汽车的动力系统一般由电机系统，电控系统，电池系统构成。

2.1 电动汽车动力系统选型

电动汽车的动力系统多种多样，在以下几种动力系统设计方案中[3]（图1），本文选取一种作为研究选型。

图1 纯电动汽车动力系统设计类型

（a）类由传统车改造而来，直接由电动机替代发动机，性能可靠，但结构较为复杂，电动车优势体现不佳。

（b）类只有必要的主减速器、电动机、差速器，结构简单，传动系得到简化，但调速范围较窄，高速性能不佳。但由于城市客车低速情况较多，应用性良好。

（c）（d）类的传动系统位于后轴，极大地缩减了传动系统空间，结构简单，但控制较为复杂。（c）类只有一个电机，功率较小，一般为小型车使用。（d）类为分布式驱动，使用电子差速器，易于控制，可以在大型车上使用。

（e）（f）类为轮边电机和轮毂电机模式，进一步缩小了动力系统的空间。轮边电机发展较为成熟，目前已开始应用。轮毂电机由于完全依靠电机，功率较低，结构复杂，可靠性低，目前多见于特种车和概念车上。

图2 本文车辆动力系统结构示意图

本文最终选定动力系统为（b）型，外加了一个自动变速器（图2），结构简单，性能可靠。

2.2 电机选取

2.2.1 电机类型选取

电机是纯电动汽车和新能源汽车的关键部件，一般对其要求如下：

（1）效率高；

（2）体积小，重量轻；

（3）在转速范围内有低速大转矩特性和较大的恒功率区；

（4）高可靠性和安全性。

常用的电机有直流电机，交流异步电机，永磁同步电机，轮毂电机等其他电机。直流电机调速性能好，起动力矩低，控制简单，但由于其电刷和机械换向装置，易起火花，不易在多尘，潮湿易爆的环境下使用。异步电机可靠性高、成本低，大型高速电动车使用较多。永磁同步电机有高控制精度，高转矩密度，良好的转矩平稳性和低振动噪声等特点，同时通过合理的设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能，是一种能较为理想的电动车电机。本文选取永磁同步电机为动力电机。

2.2.2 电机参数匹配设计

对于电机型号的选取则要考虑各方面的因素，如动力、体积、质量等。首先给出车辆动力性所需参数，其次进行动力计算，参数如表2所示。

表2 整车动力系统参数

（1）电机功率确定

电动机所具有的额定功率和最大功率必须满足汽车在正常情况下的基本行驶和在极端情况下对于最高车速，最大爬坡度和最大加速度的要求。

常用功率公式为：

即

其中，Pn为电机额定功率；Ur为车速；f为滚动阻力系数；m为车身总质量；α为坡度角；Cd为风阻系数；A为迎风面积；δ为旋转质量换算系数为加速度。

①最高车速时，即峰值功率应大于等于客车在无坡度路面上以最高车速匀速行驶时所受到的阻力功率[4]-[5]，计算公式如式5所示：

将最大车速80km/h，效率0.92，滚动阻力系数0.016，车重 18000Kg，风阻系数 0.8，迎风面积 7m2带入公式得：Pn1=109kW，取110kW。

②最大爬坡时，要求满足的最大功率

此种情况下默认车速为15km，加速度为零，计算如式6所示：

带入上表数据得：

③在最大加速度时，要求满足的最大功率

此种情况下默认爬坡度为零，如式7所示：

带入表2数据得：Pn3=138.98。

在计算得出功率后，须乘以一个功率系数，国标规定电动客车的功率系数为1.5～1.8之间，即

以上为电机的峰值功率，由此可计算电机的额定功率，即有公式如下：

此式中，P额—电机的额定功率；

Pmax—电机的峰值功率；

λ—电机的过载系数；

过载系数一般为1.5～2之间，即额定功率为70～166kW之间，可选取150kW。

（2）电机转速的选定

对于城市客车，车速要较低，一般选用低速电机，电机转速较低时在相同的功率下会输出更大的扭矩，符合城市客车的需求。低速电机转速低于4000r/min，公式如下：

其中，nr为额定转速；nmax为最高转速；β为电机扩大恒功率区系数，一般取 2～4。因此，电机的额定转速可定为1500～3000r/min。

（3）电机参数确定

据上，最终选定电机为YGDC-150永磁无刷直流电机，具体参数如表3所示：

表3 电机参数

3 传动系统的设计

由于电机技术目前还不够成熟，在低转速时转矩不高，低速大转矩一直是电机技术发展的关键所在。所以较为实用的纯电动城市客车，尤其是在只有一个电机的情况下一般都配备有变速器，来提高整车的动力性，平稳性。

相对于低速电机，高速电机的造价较高，且它们对与其配套的轴承等有着很高的要求，过高的转速还会增加机械损失[6]。

就一般性而言，传动比越大，动力性越好，但是由于在传动比增大的情况下成本和工艺的要求也会提高。由于车辆在最小传动比时其最高车速最高，为了既满足加速性又满足最高车速的要求，一般在C曲线的45度左右进行传动比的选取[7]。同时，电机的使用过程中还要考虑到电机是否处于额定功率或额定转矩的附近，以便提高电机的效率，保证动力性和行驶里程，延长电机的使用寿命。

在本文中设定传动系统为主减速器和自动变速器（AMT）连接。AMT有三个档位组成。

3.1 最小传动比的确定

最小传动比一般对应于汽车的最大速度，电机的最大转速，所以在计算的过程中根据以上两个量进行匹配计算，如式12所示：

即

带入车速80km/h，r为480mm，n为3000，得

3.2 最大传动比的选择

最大传动比一般对应汽车的动力性指标，如最大爬坡度，高速行驶时的行驶阻力，一般计算如下。

即得

①最大爬坡的情况

即有

②最高车速的情况

即有

由于此种情况阻力较小，所以采用最大爬坡时所计算出的传动比，取值为3。

传动系统参数如表4所示。

表4 传动系统参数

4 电池的选定

4.1 动力电池类型选定

动力电池的一般性能指标有以下几点：容量，能量，能量密度，功率密度，电压和内阻，使用寿命，温度等。动力电池的选择要考虑成本、质量、体积等方面因素。

铅酸蓄电池是最早的动力电池，目前技术上已趋于成熟。低成本，高可靠性，较好的高低温性能，能量效率高（75%～80%）使其应用广泛。但是，比能量低，使用寿命短也成为其发展的局限性。

锂电池是一类以金属锂作为活性极（负极）物质电池的总称。其比能量大，电压高，放电平稳，温度范围大，寿命长等特点正使它成为最具发展潜力的电池。按照电极来分，有锂离子电池，磷酸铁锂电池，聚合物锂电池等。磷酸铁锂电池正极为磷酸铁锂，负极为锂，其正极材料原料广，成本低，安全环保，寿命长，耐高温，充放电特性良好，无记忆效应。此电池的最大优点是安全性好，在损伤的情况下不会燃烧爆炸，这使车辆的安全性有了很大的保障。所以，它也是目前各大企业的首选电池，如宇通的纯电动公交等。

为使车辆达到一定的安全性，稳定性，本文中采用磷酸铁锂电池。