淺析純電動城市客車總布置方案對整車主要性能的影響

夏德剛

上海萬象汽車制造有限公司 上海市 201611

1 引言

隨著我國新能源汽車的示范運營到目前的大量推廣應用，新能源汽車不斷成為社會的焦點，作為新能源汽車發展重點的純電動城市客車亦是備受社會廣泛關注。純電動城市客車是城市主要公共交通工具、人民群眾綠色出行的重要載體，其安全性、使用經濟性一直以來被視作產品開發設計的重點。

純電動城市客車和傳統車型（燃油、燃氣等）存在著巨大的差別：一方面動力源換裝為數量眾多、體積和質量龐大的高壓動力電池系統；另一方面動力系統換裝為電驅動系統、相應增加了各種電輔件以及大量的高低壓線路等。整車部件及參數的變化，導致純電動城市客車的總體布置方案相對傳統車型作出了重大調整。如何保證涉及行車安全的行駛穩定、制動、碰撞等安全性能？如何降低整車質量、降低能耗、提高整車經濟性？如何滿足用戶車內空間利用率及續航里程的需求？如此種種，都要求整車總布置工程技術人員在方案選擇、性能指標確定、結構布置、性能控制、整車和子系統合理匹配等方面要作出重大突破。現以我司開發的一款11米純電動城市客車為例，通過對其不同總布置方案分析，探討純電動城市客車總布置方案對整車性能的影響，為純電動城市客車總布置方案選擇提供參考。

2 整車開發方案介紹

2.1 整車開發目標參數

該項目車型為后置、后驅二級踏步純電動城市客車，目標客戶地一線城市公交。根據市場調研統計結果，目標客戶地公交線路的特點：線路長（達200 km以上），乘客流量大。對此經過論證、評審確定整車主要設計性能技術參數，具體見表1。

表1 11米純電動城市客車設計性能參數

2.2 整車結構布置

由于該車配裝2000～3000kg的動力電池（總共12箱），若要保持和同級別傳統車一樣的車內空間，座位數不減少，同時整備質量亦不超過12000kg，必須采用全承載式車身。動力電池最佳的布置方案就是大部分布置在車廂地板以下。圖1為該車底盤兩種總體結構布置方案。

布置方案一中選擇和傳統車一樣的軸距長度5100mm，空間所限，在車輛中段地板下布置6箱動力電池。為了保證能布置下其余動力電池及電驅動系統等所有部件，后懸長度須取法規上限值（軸距長度的65%）。布置方案二中選擇長軸距6100mm，在車輛中段地板下布置10箱動力電池。通過調整，在保證布置下其余所有部件的條件下，同時整車長度不變，后懸長度降低到軸距的40%。

2.3 整車軸荷分配及質心位置

整車軸荷分配及質心位置是汽車相關性能計算中的基礎數據，估算結果的準確程度直接影響到實車的性能。在保證整車結構強度及質量控制目標的前提下，在三維建模前期，根據力矩平衡原理，按照式（1）、式（2）和式（3）對兩種布置方案下的整車軸荷分配及質心位置進行估算（后期可以通過CATIA三維建模較準確的得出）。表2為車輛整備、半載、滿載三種典型狀態下的各軸負荷和整車質心位置（假設乘員質量在車廂內均布）。

式中，g1、g2、g3…gI為各總成質量，kg；g人為乘員總質量，kg；l1、l2、l3…lI為各總成質心到前軸距離，m；l人為所有乘員質心到前軸距離，m；h1、h2、h3…hI為各總成質心到地面距離，m；h人為所有乘員質心到地面高度，m；G2為滿載后軸負荷，kg；L為汽車軸距，m；a為汽車滿載質心距前軸距離，m；hg為汽車質心到地面高度，m。

同理通過改變式（1）、式（2）和式（3）中變量的定義，可求得：車輛整備狀態后軸荷G2＇、質心距前軸距離a＇及質心到地面高度hg＇；車輛半載狀態后軸荷G2＂、質心距前軸距離a＂及質心到地面高度hg＂。

圖1 底盤總體結構布置方案

3 兩種布置方案下整車安全性能

3.1 整車操縱穩定性

汽車操縱穩定性是指在駕駛者不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過轉向系及轉向車輪給定的方向行駛，且當遭遇外界干擾時，汽車能抵抗干擾而保持穩定行駛的能力。是決定汽車行駛特別是高速行駛安全的一個主要性能。由于影響汽車操縱穩定性的因素較多，加之城市客車車速較低（最大設計車速小于70km/h），本文僅對不同總布置方案下的整車質心位置對整車操縱穩定性的影響進行部分分析。

轉向回正性能是汽車的一項重要性能，容易想到一輛沒有轉向回正或者轉向回正速度極慢及回正殘余角度特大的汽車，駕駛員如何能接受？駕駛安全如何能得到保證？汽車重心位置的前后影響汽車前軸載荷大小，汽車前軸載荷的大小是影響汽車轉向回正的一個重要因素（重力回正）。大客車尤其是城市公交車轉向回正性能往往不是很理想，對此曾對比過不同生產廠家的四種同類型的公交車輛，同一駕駛員、同一車速、同一場地測試下來，只有一款車轉向回正性能表現良好，其它三款表現較差。具體觀察整車總體布置結構，發現轉向回正性能表現良好的車輛其軸距、相同部件布置位置和其它三款車輛不同。以前橋主銷后傾角所形成的轉向回正力矩計算公式，來分析不同車輛總體布置方案導致前軸荷變化時（重心位置）對轉向回正力矩的影響因素，如下：

式中，MR為主銷后傾角所形成的轉向回正力矩，N.m；η為機械逆向傳動效率；F為前軸載荷，N；e為轉向輪與路面接觸點至主銷軸線的距離。

從公式（4）中看出隨著前軸載荷F的增大，轉向回正力矩MR隨之增大，這也驗證了曾經對比測試中，轉向回正性能表現良好的車輛原因所在（軸距較大、前軸荷較大）。故整車總布置設計人員在客車總布置設計階段應該合理確定車輛質心到前軸的距離，合理的加大前軸荷，以期得到滿意的車輛轉向回正性能。

車輛質心位置對高速行駛的車輛的操縱穩定性的影響很大，尤其是車輛質心位置高低的變化影響更大。由于城市客車車速較低（最大設計車速小于70km/h）車輛質心位置的變化對車輛的操縱穩定影響甚微，關于此方面的具體分析很多相關論著已經詳細闡明，本文不做過多介紹。車輛總布置設計人員在做整車總布置設計時應該盡量將質心位置前移，否則可能會造成車輛的過多轉向趨勢，造成駕駛員駕駛車輛過分緊張，引發安全事故。

3.2 整車制動性能

車輛制動性能直接影響行車安全，對此國家有專門的強制標準，GB7258《機動車運行安全技術條件》和GB12676《商用車輛和掛車制動系統技術要求及試驗方法》對車輛制動性能做了詳盡的規定。本文根據兩種純電動城市客車底盤總布置方案所確定的整車相關參數，對整車的制動性能作對比分析，由于篇幅問題僅片面的從前后軸制動利用附著系數和制動強度關系法規線符合性入手進行探討。GB12676中 E.3.1.1規定所有車輛在輪胎與地面間的理論附著系數0.2～08之間時，制動強度應滿足z≥0.1+0.85（k-0.2）； E.3.1.2 b）規定在車輛制動強度z處于0.15～0.3之間時，各車軸的附著系數利用曲線在k=z±0.08所確定的兩條平行的理想附著系數利用曲線之間，且后軸附著系數利用曲線在制動強度z不小于0.3時滿足制動強度z≥0.3+0.74 （k-0.38）關系。據此根據整車相關參數計算繪制兩種車輛總布置方案下，前后軸制動利用附著系數范圍ψf和ψr和制動強度的法規線關系圖如下：

表2 軸荷和質心位置

對比兩種車輛總布置方案下整車前后軸制動附著系數利用曲線，發現兩種方案下車輛的整車前后軸制動附著系數利用曲線都在法規線范圍內，都符合法規要求。方案一同步附著系數為0.65，方案二同步附著系數為0.6，在城市公交常用路面附著系數0.5～0.75的范圍。為了防止后輪抱死（發生危險的側滑）并提高制動效率，前后軸附著系數利用曲線應該盡量靠近理想的z=k（圖中用ψ代替z）曲線，從圖中看出方案二前后后軸附著系數利用曲線比方案一靠近理想z=k曲線，布置方案二比較合理。原因在于方案二加大了軸距使車輛質心較方案一靠近前軸。

制動器摩擦片的使用壽命和車輛總布置結構有很大關系，方案一車輛質心位置將方案一靠后，這使得車輛后軸荷大大增加，以前我司也開發過和方案一類似的純電動客車，實驗測試后發現后輪制動器溫度過高，制動器摩擦片磨損過快，究其主要原因為后軸荷過大。方案二的布置結構恰當的解決了該問題。

4 兩種布置方案下整車使用經濟性能

兩種布置方案都采用全承載式車身結構，采用全承載車身的好處：一是可以將動力電池全部布置在車廂地板下和車輛尾部側艙中，車廂后部無封閉艙體，達到了和傳統車一樣的布置結構；二是可降低整車重量，降低車輛行駛能耗，滿足公交客戶一次充電大的續航里程要求。對比方案一和方案二車廂內主要乘客站立空間（車輛中段）的大小，很明顯方案二遠遠大于方案一。實際測算下來，10米多的車輛車廂可使用空間達到了傳統12米車輛車廂使用空間。

圖2

通過市場調研，客戶都對方案二表示認可。最終方案二通成功通過了公司相關評審，經過研發團隊的不懈努力，車輛成功完成開發，整車整備質量11900kg，達到了整車整備質量≤12000kg的設計目標，并成功通過各項性能測試。現在已連續大批量服務于公交市場。

5 結語

純電動城市客車總布置方案的選擇對整車的性能影響巨大，通過本文兩種車輛布置方案各項性能的綜合比對，方案二采用的長軸距、短后懸、全承載結構能夠合理布置下車輛動力電池，并改善車輛的各項性能，是現階段純電動城市客車的最佳布置參考方案。