燃料电池城市客车动力性设计计算

娄 云，陈毅超

（1.河南工学院 车辆与交通工程学院，河南 新乡 453003；2.新乡市场地电动车工程中心，河南 新乡 453003；3.南京金龙客车制造有限公司，江苏 南京 211200）

0 引言

某型号燃料电池城市客车是为减少碳排放而开发的。该车采用全承载式骨架结构，驱动方式为4×2 后置电机驱动；采用4.5t（吨）低入口前桥，工字梁结构，配备盘式制动器；采用9t（吨）后桥，配备盘式制动器。

1 整车参数

表1 整车参数表

2 动力系统主要性能指标的选择

2.1 动力系统最大功率Pemax; 和相应转速np

根据设计应达到的最高车速umax(km/h)初步选择驱动功率。电动汽车在水平路面上匀速行驶时，驱动力用于克服滚动阻力和空气阻力，驱动电机功率应大体等于但不小于设计最高车速行驶时行驶阻力功率之和[1]，即

式中，Pemax;; 为动力系统最大功率（kW）；;为传动系统效率，驱动桥用单级主减速器的汽车可取90%；m为汽车总质量（kg）；g为重力加速度（m/s2）；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数，客车取0.50～0.80；A为汽车正面投影面积（m2）。表2 为燃料电池样车动力性计算需要的参数。

表2 燃料电池样车动力性计算参数表

当设计最高车速为69km/h 时，需要的电机功率计算结果为61kW。

动力系统的瞬时功率应能满足[1]：

整车以15km/h 速度爬18%坡度需要的动力系统功率为131.9kW。

通过以上初步估计并考虑到经济性，选择永磁同步电机。其主要参数：额定功率80kW，最大功率150kW，额定转速1400rpm，最高转速3500rpm；额定扭矩545N·m，峰值扭矩1700 N·m。电机的额定功率满足最高车速要求，电机的瞬时最大功率满足最大爬坡性能要求。

2.2 主减速器速比的选择

传动比对电动汽车的动力性能和耗电经济性有较大的影响。一般来说，传动比越大，加速性能和爬坡能力越强，但耗电经济性越差。如果传动比过大，则不能发挥驱动电机的全部功率以达到应有的车速。传动比越小，最高车速越高，耗电经济性越好，但加速和爬坡能力越差[2]。

车辆传动比it=igi0，其中i0，ig分别为主减速器速比和变速器速比。因采用直驱电机，所以变速器速比ig=1，it=i0。电动汽车最小传动比可由最高车速求得，最小传动比为; in为：

选择最大传动比，要考虑三方面问题：最大爬坡度、附着率和车辆最低稳定速度。最大传动比i; 可表示为[1]：

一般城市电动客车应具有满足爬坡度为15%坡道的能力，当最大爬坡度i;选取18%时，计算可得最大传动比

出于对整车动力性、耗电经济性、噪音以及可供选择主减速比的综合考虑，选择主减速比i0=6.14。

2.3 整车动力性计算

2.3.1 最高车速

最高车速是指在无风条件下，在水平、良好的沥青或混凝土路面上，汽车所能达到的最大行驶速度[1]。在设计过程中，电动汽车的最高车速可表示为[3]：

2.3.2 加速时间

电动汽车加速时间包括汽车的原地起步加速时间和超车加速时间。加速时间越短，汽车的加速性就越好，整车的动力性也就越强。

（1）原地起步加速时间：指汽车在静止状态下，由第一档起步，并以最大的加速度逐步换至高档后达到某一预定的车速或距离所需要的时间。目前常用0～100km/h 所需的时间来评价，但因车速和工况限制，城市客车可用0～50km/h 所需时间来评价[4]。

（2）超车加速时间：由某一车速开始，用最高档或次高档全力加速至某一高速所需要的时间，用来表示汽车超车时的加速能力[5]。目前常用48～112km/h 所需的时间来评价[6]，但考虑到城市客车的特殊工况，常用30km/h～60km/h 所需时间来评价[7]。加速时间可由下式表示[8]：

式中：u1为加速行驶时的起始车速，un为电机额定转速所对应的车速，u2为加速行驶时的终止车速，车速单位均为km/h。

由上式带入相关参数计算可得加速时间：t= 14.6s。

（3）绘制驱动力-行驶阻力平衡图。

（4）最大爬坡度imax是指汽车满载时在良好路面上用第一档克服的最大坡度。爬坡度用坡度角正切值的百分数来表示[1]。车辆最大爬坡度可根据后面的爬坡度曲线图得出[9]。

驱动力-行驶阻力平衡图和最大爬坡度视图分别如图1 和图2 所示。

图1 驱动力-行驶阻力平衡图

图2 最大爬坡度视图

由图2 分析可得，在车速ua=15km/h 时车辆的最大爬坡度为18.01%。

3 结语

针对某型号燃料电池城市客车动力性设计要求，通过对最高车速、加速时间、最大爬坡度以及最小传动比、最大传动比的设计计算，选配了永磁同步电机和主减速器。经计算，所匹配动力总成满足国家标准和设计要求。经过试运行，该燃料电池城市客车的动力性能够满足使用要求。