安凯G6型纯电动客车设计开发

2020-03-09郭苏明

客车技术与研究 2020年1期

郭苏明

(安徽安凯汽车股份有限公司，合肥 230051)

当前，国内主要城市客车几乎全部电动化。随着国家城乡一体化改造政策的逐步推广，6～7 m纯电动城市客车将成为重点产品。为此，我司开发了G6型纯电动客车。

1 整车概况

安凯G6型纯电动客车，更多地考虑在城郊、县郊和镇村使用。采用长轴距、短后悬设计，充分利用车内中部空间，提高最大乘员数；采用前中开门、二级踏步、高扁平率轮胎、降低入口高度设计，便于乘客(尤其是老人和小孩)快速、便捷、安全地上下车，方便换乘分流[1]。采用较窄车宽，适当地降低车身高度，缩小转弯半径，提高整车通过性，对道路宽度及路况环境要求降低，充分适应城郊、县效、镇村道路的实际状况，提高了运载的通勤效率、上客率和灵活性，大大降低了运营成本。

车身采用桁架式骨架结构，实现轻量化[2]；通过半承载底盘结构，提高整车的被动安全性。车架采用现有成熟的三段式弯纵梁结构，可靠性高；其中部采用桁架式结构，提高整体刚度的同时，最大限度增加了电池安装空间[3]。通过进行CAE分析优化，确保骨架强度和刚度[4]。前后桥标配板簧悬架，提高对不良路况的适应性。由于电动车电池较重，且前部开门状态前悬较长，前桥载荷与普通8～10 m城市客车不同，其前轴载荷分配比例更大，为此专门开发3.5 t加强型窄轮距前桥，承载能力强，以充分满足公交工况的使用要求。

主要技术参数如下：整车长6 540 mm，宽2 100 mm，高2 970 mm(带空调)，轴距3 200 mm；车内最大净高2 000 mm；前后轮距分别为1 777 mm/1 586 mm；最大乘员数45人，整备质量5 200 kg(带空调)；最大爬坡度(满载)≥16%；综合工况电耗(不开空调)≤480 Wh/km；续驶里程336 km(半载40 km/h等速，不开空调)。

2 动力系统技术方案

2.1 动力系统主要构成

G6车型仍采用成熟的中央电机直驱方式[5]。动力系统主要由整车控制系统、驱动系统、储能系统和辅助系统4个部分构成。整车控制系统主要完成整车控制及能源管理显示两部分功能，通过采集整车各个子系统的运行信息并进行监控和诊断，建立通信，将驱动系统和车载能源管理系统有机地联系起来，完成整个动力系统总成的控制功能。辅助系统包括转向泵、打气泵、DC/DC等。驾驶员向整车控制器发送操作指令后，电机控制器立即接收整车控制器的指令，实现整车的各种运动状态[5]。

2.2 驱动电机匹配选型设计

驱动电机采用安凯自主研发制造的高效率永磁同步电机。电机及电机控制器散热采用水冷方式[6]。

2.2.1 电机功率计算

根据汽车理论[7]，汽车的功率平衡关系为：

电机功率应满足以下3个功能需求：

1)最高车速需求功率Pm1：

Pm1=(Gf/3 600+CDAVa2/76 140)Va/η

2)加速时间需求功率Pm2：

3)最大爬坡度需求功率Pm3：

代入相关参数，即可计算出Pm1、Pm2、Pm3分别为33.8 kW、87.2 kW、59.2 kW。

2.2.2 电机扭矩计算

电机的扭矩计算，主要根据车辆最大爬坡度需求和加速需求的扭矩决定。

1)最大爬坡度需求扭矩Tm

2)加速需求扭矩M

通过计算，Tm、M分别为820.8 Nm、396.3 Nm。

2.2.3 转速参数确定

转速参数要符合最高车速需求，同时要符合最佳经济转速需求，以降低电耗。计算公式为[7]：

n=uaigio/0.377r

根据城市客车的路谱分析，结合本车型的市场定位，计算额定转速时需根据额定扭矩进行确定，同时保证常用车速35～55 km/h在最佳经济转速范围内(即额定扭矩值时的转速范围)。通过计算，最佳经济转速，即额定转速应在933.3～1 466.7 r/min。

通过电机最佳经济转速的计算，拟选定驱动电机额定转速1 200 r/min，同时考虑通用化设计，选择现有成熟电机状态，标定最高转速3 000 r/min。由于城市客车最高车速限值为69 km/h，需验证非限速情况下，最高车速应适当高于69 km/h。经过计算，本车型最高车速(不进行软件控制的情况下)约为89 km/h。最终选定驱动电机性能参数见表1。

表1 驱动电机主要性能参数

2.3 驱动电机控制器匹配

电机控制器相关功能集成在五合一控制器中，充分做到集成化、轻量化、通用化设计，而且高度集成的高压控制柜占用空间小，充分解决电器舱空间紧张、不好布置的问题。电机控制器具体性能参数见表2。

表2 电机控制器主要性能参数

2.4 动力电池匹配

考虑到城郊公交运营时间长、使用环境相对复杂的特点，本项目选用安全性更高、能量密度更大的磷酸铁锂电池[8]。动力电池要满足电机最大功率输出需求，同时参照电池厂家的电芯特性和电池箱规格，确定动力电池的额定总电压为460.8 V。

动力电池容量的确定必须考虑以下几个因素：路况、纯电动里程、电池组一致性、最低SOC等。其计算公式为：

Qbat=Qbat0/(λcλa)

式中：Qbat0为动力电池理想状态(一致性好、SOC精度高、性能不衰退)下，满足纯电动续驶里程所需要的电量；λc为一致性修正参数，本文取0.95；λa为SOC估计精度修正参数，本文取0.95。从中国城市客车典型工况[8]、等速40 km/h工况分别计算电池所需容量。

按中国城市客车典型工况、纯电续驶里程200 km计算，所需电池容量为202 Ah；按等速40 km/h工况、纯电续驶里程300 km计算，所需电池容量为209.9 Ah。因所选电池单体容量为105 Ah(3.2 V),所以动力电池系统总容量选择210 Ah，可以同时满足以上两种工况要求。此时电池存储能量460.8 V×210 Ah=96.8 kWh。磷酸铁锂动力电池系统最大脉冲充放电电流可达250 A(对应功率115 kW)，持续放电电流可达210 A (对应功率97 kW)，可以满足整车额定功率和极限功率需求。防护等级为IP67，采用自然冷却方式。电池组其他参数见表3。

表3 电池组其他参数

3 仿真分析及验证

3.1 仿真模型的搭建

Cruise是针对汽车整车及部件性能的仿真软件，可以用于车辆的动力性、燃油经济性以及排放性能的仿真，利用其模块化的建模方法可以直观和便捷地搭建不同布置结构的车辆模型[9]。本文使用Cruise搭建的整车仿真模型如图1所示。

图1 Cruise整车仿真模型

3.2 仿真结果及分析

根据纯电动汽车仿真的要求，选择和编辑相应的任务及工况，设置合适的仿真步长和精度。设定的计算任务有：在任务Constant Drive中仿真最高速度和加速性能；在任务Climbing Performance中仿真最大爬坡度；在任务Cycle Run中仿真续驶里程[10]。运行Cruise，得到仿真结果见表4。其中续驶里程是以充满状态开始到规定的SOC下限值10%、40 km/h匀速行驶工况为仿真条件。