純電動(dòng)城市客車動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

成振坤，蹇小平，周在芳，盧 波，馮 鎮(zhèn)，朱文艷

Cheng Zhenkun, Jian Xiaoping, Zhou Zaifang, Lu Bo, Feng Zhen, Zhu Wenyan

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾日益突出，作為當(dāng)今社會(huì)最主要的交通工具—汽車，其地位是無可替代的，但是汽車所排放的尾氣給環(huán)境帶來了很大的壓力，為了能夠最大限度地減少汽車尾氣的排放量，世界各國都在發(fā)展新能源汽車，例如混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車。比較3種新能源汽車，純電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)更加明顯。純電動(dòng)汽車以電動(dòng)機(jī)代替燃油機(jī)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，噪聲低，無污染，零排放。城市客車作為必備的公共交通工具，它的尾氣排放在總體排放量中占據(jù)很大的比重，因此迫切需要開發(fā)零排放的純電動(dòng)城市客車。

文中在某款底盤（HFC6601KYD3）的基礎(chǔ)上，試制一輛純電動(dòng)城市客車并對(duì)其進(jìn)行性能試驗(yàn)，使試制的客車滿足城市公交的運(yùn)行要求。開發(fā)純電動(dòng)城市客車對(duì)減少城市汽車尾氣排放，緩解城市經(jīng)濟(jì)與環(huán)保之間的矛盾具有重要意義。

1 純電動(dòng)城市客車動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

1.1 純電動(dòng)城市客車方案論證

驅(qū)動(dòng)電機(jī)將動(dòng)力傳遞到車輪有很多不同的方式，文中選取最傳統(tǒng)的動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)，用電動(dòng)機(jī)代替原燃油汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，保留了離合器、變速器等傳統(tǒng)傳動(dòng)部件[1]（圖1）。

電動(dòng)機(jī)與離合器之間的動(dòng)力傳遞共有兩種方案：（1）電動(dòng)機(jī)與離合器通過皮帶連接。優(yōu)點(diǎn)：同軸度要求不高。缺點(diǎn)：傳動(dòng)效率不如直連。（2）電動(dòng)機(jī)與離合器直連。優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)效率高。缺點(diǎn)：同軸度要求高。通過以上分析對(duì)比采用直連的方式，如圖2。

1.2 電動(dòng)中巴車的動(dòng)力性要求

根據(jù)城市客車的的特點(diǎn)及運(yùn)行工況，確定純電動(dòng)城市客車的動(dòng)力性指標(biāo)如下：

（1）電動(dòng)城市客車的最高車速為50 km/h；

（2）電動(dòng)城市客車的最大爬坡度為8%；

（3）電動(dòng)城市客車的加速時(shí)間為35s；

（4）根據(jù)城市公交的工況，續(xù)駛里程應(yīng)達(dá)到80 km。

1.3 電機(jī)的功率計(jì)算

無論是傳統(tǒng)汽車還是電動(dòng)汽車，整車總功率的匹配原則是相似的，即根據(jù)整車的動(dòng)力性（最高車速、最大加速度、最大爬坡度）來確定電機(jī)的功率。

當(dāng)純電動(dòng)中巴車以最高車速vmax行駛時(shí)，此時(shí)車輛的加速度與爬坡度可以忽略不計(jì)，得：

當(dāng)純電動(dòng)中巴車以最大加速度amax行駛時(shí)，此時(shí)車輛的爬坡度可以忽略不計(jì)，得：

當(dāng)純電動(dòng)中巴車以最大爬坡度maxα爬坡時(shí)，此時(shí)車輛加速度可以忽略不計(jì)，得：

式中，ηT為汽車的傳動(dòng)效率；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)。

根據(jù)上述動(dòng)力性3項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算的各自最大功率，電機(jī)的最大功率Pmax必須滿足上述所有要求，即電機(jī)的額定功率與電機(jī)的最大功率關(guān)系如下：

式中，Pm為電機(jī)的額定功率；λ為電機(jī)的過載系數(shù)，取值范圍為[1,3]。

1.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速

車速v與電機(jī)轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為：

其中mi為車輛最高擋傳動(dòng)比；0i為主減速器傳動(dòng)比。

1.5 純電動(dòng)城市客車驅(qū)動(dòng)電機(jī)計(jì)算

在某款底盤（HFC6601KYD3）的基礎(chǔ)上試制一輛純電動(dòng)城市客車，底盤（HFC6601KYD3）的基本參數(shù)如表1所示。

表1 6601客車的一些原始參數(shù)

1.5.1 純電動(dòng)城市客車電機(jī)功率計(jì)算

當(dāng)電動(dòng)中巴車以最高車速vmax=50 km/h行駛時(shí)，汽車的加速度和爬坡度忽略不計(jì)，根據(jù)最高車速計(jì)算電動(dòng)機(jī)的功率，將m=6 000 kg，整車傳動(dòng)效率ηT=0.9，正面投影面積A=5.4 m2，滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.012，空氣阻力系數(shù)CD=0.45代入式（1）得到最高車速下的峰值功率Pmax1=15.32 kW。

當(dāng)電動(dòng)中巴車以最大爬坡度i=8%爬坡時(shí)，汽車加速度忽略不計(jì)，使用1擋以v1=10km/h爬坡，根據(jù)公式（3）得到最大爬坡度下的電動(dòng)機(jī)峰值功率Pmax3=16.76 kW。

1.5.2 電動(dòng)城市客車的轉(zhuǎn)速計(jì)算

設(shè)計(jì)的電動(dòng)中巴車有4個(gè)擋位，根據(jù)公式（5）得出各擋位下的轉(zhuǎn)速，如表2所示。

表2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)在各個(gè)擋位下的轉(zhuǎn)速

根據(jù)上述計(jì)算，選定電動(dòng)機(jī)的最大功率18 kW，轉(zhuǎn)速在2 500 r/min左右。

通過市場(chǎng)調(diào)研與資料查詢，并參照所計(jì)算的電動(dòng)機(jī)參數(shù)，選擇直流串勵(lì)電機(jī)ZC15-144C（圖3），電機(jī)參數(shù)如表3所示。

表3 電機(jī)參數(shù)

1.6 動(dòng)力蓄電池參數(shù)計(jì)算

對(duì)于該電動(dòng)城市客車，動(dòng)力蓄電池參數(shù)的匹配一定要滿足電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)、功率要求、能量要求、電流要求等多方面因素。

電池的能量計(jì)算公式：

式中，Wess為電池組的實(shí)際能量，kWh；Uess為電池組的平均工作電壓，V；C為電池塊的容量Ah。

電動(dòng)中巴車的續(xù)駛里程的計(jì)算公式：汽車以V(km/h)的速度行駛：

式中，P為電動(dòng)中巴車的功率，kW；Wroad為電動(dòng)中巴車驅(qū)動(dòng)續(xù)駛里程所需的能量。

綜上所述，選擇使用3-D-240鉛酸蓄電池，如圖4所示。

該電池的具體參數(shù)見表4。

表4 電池參數(shù)

2 純電動(dòng)城市客車的動(dòng)力性能試驗(yàn)

將所選電動(dòng)機(jī)、電池及控制器等元件裝車后，仿真結(jié)果也能達(dá)到所設(shè)計(jì)的動(dòng)力性能要求，因此對(duì)所設(shè)計(jì)的車輛進(jìn)行動(dòng)力性能試驗(yàn)。參照國標(biāo) GB/T18385—2005《電動(dòng)汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》[3]，設(shè)計(jì)了電動(dòng)中巴車的動(dòng)力性能試驗(yàn)方案。考慮到電動(dòng)中巴車的運(yùn)行工況及工作特點(diǎn)，動(dòng)力性能試驗(yàn)主要是進(jìn)行最高車速和加速性能試驗(yàn)，而爬坡性能試驗(yàn)為附加試驗(yàn)。

按照上述要求與步驟在長安大學(xué)汽車試驗(yàn)場(chǎng)地對(duì)試驗(yàn)車輛進(jìn)行了動(dòng)力性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表5～表7。

表5 30min最高車速試驗(yàn)結(jié)果

表6 最高車速試驗(yàn)結(jié)果

表7 0～30km/h、30～50km/h加速性能試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果分析如下：30 min最高車速的設(shè)計(jì)值為45 km/h，試驗(yàn)值為44.96 km/h；設(shè)計(jì)的最高車速為50 km/h，試驗(yàn)值為51.3 km/h；車輛可以爬上12%的坡道；0～30 km/h加速時(shí)間為48.86 s，30～50 km/h加速時(shí)間為59.65 s；試驗(yàn)得到的續(xù)駛里程為 81.6 km。由試驗(yàn)結(jié)果知所設(shè)計(jì)的純電動(dòng)城市客車的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性（續(xù)駛里程）基本符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

系統(tǒng)地提出了電動(dòng)城市客車各動(dòng)力總成參數(shù)的設(shè)計(jì)原則，對(duì)整車系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，完成了電動(dòng)城市客車的整車匹配。并在長安大學(xué)汽車試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的純電動(dòng)城市客車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性（續(xù)駛里程）均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了匹配參數(shù)選取的合理性。

[1]陳清泉，孫逢春，祝嘉光. 現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

[2]曾小華，王慶年，王偉華. 某純電動(dòng)中巴汽車的整車系統(tǒng)設(shè)計(jì)[C].吉林大學(xué)，2007.

[3]GB/T 18385—2005 電動(dòng)汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)方法[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[4]盧波. 純電動(dòng)城市客車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[D].長安大學(xué)，2010.

[5]馮鎮(zhèn). 小型電動(dòng)場(chǎng)地教練車動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)與仿真研究[D].長安大學(xué)，2010.