插电式城市客车底盘总布置设计*

冯理王建美吴焕芹钟绍华

（1.武汉华夏理工学院汽车工程学院；2.武汉理工大学汽车工程学院）

近年来，随着新能源汽车产业的飞速发展，如何提高城市客车的燃油经济性、降低污染物排放和缩短开发周期成为城市客车转型新能源客车的核心问题[1]。插电式混合动力汽车（PHEV）既能利用晚间电网充电，又能利用多种能量源，减少对单一化石燃料的依赖，污染排放更小[2]。以传统型客车为基础进行改制，可以有效降低开发难度和开发成本，缩短开发周期，且能够使用传统汽车的设计平台和零件，大大节省不必要的新平台研发成本。而对底盘进行重新设计，需要较高的开发成本及较长的开发周期[3-4]。基于上述现状，文章通过将现有传统型城市客车的底盘改制为插电式城市客车底盘，在保证动力性和续驶里程的前提下，兼顾混合动力与纯电动客车的优点，大幅减少城市污染物的排放[5-6]。通过实际验证，基本达到预想的设计目标。

1 汽车主要参数及性能指标

在本次设计中，初选轴距为3 308 mm，前轮距为1 830 mm，后轮距为1 600 mm，前悬为1 157 mm，后悬为1 530 mm。由于PHEV由传统燃油客车改制而来，底盘布置改变较大，导致整车质量变大，轴荷需要重新分配。整车各总成部件的主要参数，如表1所示。

表1 插电式城市客车各总成的主要参数

通过计算得到空车状态下的整车质量为5 950 kg，质心高度为296 mm，前后轴载荷分配情况分别为51%和49%；满载状态下的整车总质量为6 200 kg，质心高度为312 mm，前后轴载荷分配情况分别为43%和57%。插电式城市客车各项性能指标，如表2所示。

表2 插电式城市客车的各项性能指标

2 动力传动装置参数的确定

2.1 发动机的选型

通过分析PHEV的发动机的工作模式，PHEV的发动机的最大功率（Pemax/kW）可以按照最高车速uamax=80km/h等速巡航行驶模式下的功率需求进行计算。

式中：ηT——传动系的传动效率，取≈0.9；

ma——汽车总质量，取6 200 kg；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

f——滚动阻力系数，按f＝0.016 5+0.000 1（ua-50）计算，取 0.019 5；

CD——空气阻力系数，取0.65；

A——迎风面积，取6.5 m2。

由式（1）计算得Pemax=44 kW。在计算过程中，还要考虑到空调等附加功率（Padd/kW）。对于PHEV而言，还应当考虑存在10%的充电功率余量和1%～2%的爬坡功率的余量。

式中：Ptal——发动机总功率，kW；

Pacc——发动机加速功率，kW；

Pchr——充电功率，kW。

综合式（1）和式（2）得，Ptal=65 kW。结合市面上的发动机，选择玉柴生产的YC4FB90-P40C型直列四缸、中冷增压柴油发动机，具体参数如表3所示。

表3 YC4FB90-P40C型柴油发动机的主要参数

2.2 电机参数设计与选型

对于PHEV而言，电机主要用来提供驱动系统的峰值功率，起到均衡功率的作用。当PHEV处于高负荷运转时，电机和发动机混合驱动，此时电机提供峰值功率。根据表2中的动力性能预期设计指标，进行相关参数计算。

1）最高车速功率需求（Pv/kW）[7]。当PHEV的车速为80 km/h时：

由式（3）计算求得Pv=44 kW。

2）爬坡功率需求（Pi/kW）[8]。由表2的动力性能指标可知，本次设计的PHEV的最大爬坡度（i）为20%，若以ua0=10 km/h的速度行驶，则可利用式（4）计算：

由式（4）计算求得Pi=37 kW。

3）超车加速功率需求（Pj/kW）[9]。由表2的动力性能指标可知，本次设计的PHEV的0～50 km/h加速时间小于20 s。Pj按照式（5）计算：

式中：ua1——平均超车速度，km/h；

δ——旋转质量换算系数，取1.1；

由式（5）计算求得，Pj=90 kW。

结合PHEV的工作模式，该车的驱动电机的峰值功率应该满足爬坡或者超车加速时的要求。电机的额定功率（Pe/kW）为：

式中：λ——电机过载系数，取2；

Pdmax——电机最大输出功率，kW。

考虑到PHEV在起步以及加速时对电机功率的要求和纯电动驱动模式下的需求，电机功率还要考虑到一定的裕量，故初选Pe=45 kW，Pdmax=90 kW。

综上所述，PHEV选择一款永磁同步电机，型号规格为TZ26000，其性能参数，如表4所示。

表4 永磁同步电机的性能参数

2.3 动力电池的选型与参数匹配

动力电池采用HPC3R2600型号的磷酸铁锂电池，其单体电池参数，如表5所示。

表5 磷酸铁锂单体电池的参数

根据设计要求，PHEV在车速ua=20 km/h等速行驶的纯电动续驶里程要达到40 km，由式（8）和式（9）计算求得，动力电池采用100个单体电池串联，15个并联，总共有30组，分为2个电池包。

式中：Pbat——纯电动驱动功率，kW；

N——单体电池数量，个；

S——续驶里程，km；

ve——电池的放电速度，km/h；

C——单体电池额定容量，A·h；

U——单体电池放电电压，V。

3 PHEV底盘总布置设计

在初步确定了PHEV的驱动系统结构形式、底盘主要参数、底盘主要形式、动力传动系统的参数、底盘的各总成选型等，接下来要对底盘各个总成进行布置，包括绘制总布置草图，并校核初步选定的各部件结构是否发生干涉，使布置更合理。

3.1 整车基准线的确定

插电式底盘总布置图坐标系，如图1所示。绘制各基准线时，车头向左来确定整车的坐标线，整车的底盘总布置图，如图2所示。

图1 PHEV底盘总布置图坐标系

图2 PHEV底盘总布置图

3.2 发动机的布置

本次设计的PHEV的发动机为四缸小型柴油机，在进行布置时，需要注意的发动机布置主要尺寸，如表6所示。

表6 PHEV的发动机布置尺寸要求

3.3 电池的布置

由于本次设计中采用的是磷酸铁锂电池，体积较小，容易布置。根据整车布置平衡的原则，电池组布置在车架两侧[10]。电池托架采用活动式，在需要检查和更换电池时，方便拆卸。行驶系统的布置主要包括悬架的布置，要求如表7所示。

表7 PHEV行驶系统布置的尺寸要求mm

4 结论

通过对比串联、并联及混联3种驱动系统结构方案，结合本次设计的客车形式等综合因素，确定了本次设计的PHEV的驱动系统结构为同轴并联式；通过分析PHEV的结构形式，结合汽车设计的相关法规，对汽车的主要形式进行了选择，确定了PHEV的主要尺寸参数、整车质量参数和主要性能指标；通过对PHEV动力传动装置参数的计算，确定了动力传动系统的主要参数及各部件选型；确定了PHEV底盘总布置时的整车基准线，然后对动力总成、悬架系统、转向系统及制动系统进行合理的布置，避免了各总成部件发生干涉。