插電式城市客車底盤總布置設(shè)計*

馮理王建美吳煥芹鐘紹華

（1.武漢華夏理工學院汽車工程學院；2.武漢理工大學汽車工程學院）

近年來，隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，如何提高城市客車的燃油經(jīng)濟性、降低污染物排放和縮短開發(fā)周期成為城市客車轉(zhuǎn)型新能源客車的核心問題[1]。插電式混合動力汽車（PHEV）既能利用晚間電網(wǎng)充電，又能利用多種能量源，減少對單一化石燃料的依賴，污染排放更小[2]。以傳統(tǒng)型客車為基礎(chǔ)進行改制，可以有效降低開發(fā)難度和開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，且能夠使用傳統(tǒng)汽車的設(shè)計平臺和零件，大大節(jié)省不必要的新平臺研發(fā)成本。而對底盤進行重新設(shè)計，需要較高的開發(fā)成本及較長的開發(fā)周期[3-4]。基于上述現(xiàn)狀，文章通過將現(xiàn)有傳統(tǒng)型城市客車的底盤改制為插電式城市客車底盤，在保證動力性和續(xù)駛里程的前提下，兼顧混合動力與純電動客車的優(yōu)點，大幅減少城市污染物的排放[5-6]。通過實際驗證，基本達到預(yù)想的設(shè)計目標。

1 汽車主要參數(shù)及性能指標

在本次設(shè)計中，初選軸距為3 308 mm，前輪距為1 830 mm，后輪距為1 600 mm，前懸為1 157 mm，后懸為1 530 mm。由于PHEV由傳統(tǒng)燃油客車改制而來，底盤布置改變較大，導(dǎo)致整車質(zhì)量變大，軸荷需要重新分配。整車各總成部件的主要參數(shù)，如表1所示。

表1 插電式城市客車各總成的主要參數(shù)

通過計算得到空車狀態(tài)下的整車質(zhì)量為5 950 kg，質(zhì)心高度為296 mm，前后軸載荷分配情況分別為51%和49%；滿載狀態(tài)下的整車總質(zhì)量為6 200 kg，質(zhì)心高度為312 mm，前后軸載荷分配情況分別為43%和57%。插電式城市客車各項性能指標，如表2所示。

表2 插電式城市客車的各項性能指標

2 動力傳動裝置參數(shù)的確定

2.1 發(fā)動機的選型

通過分析PHEV的發(fā)動機的工作模式，PHEV的發(fā)動機的最大功率（Pemax/kW）可以按照最高車速uamax=80km/h等速巡航行駛模式下的功率需求進行計算。

式中：ηT——傳動系的傳動效率，取≈0.9；

ma——汽車總質(zhì)量，取6 200 kg；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

f——滾動阻力系數(shù)，按f＝0.016 5+0.000 1（ua-50）計算，取 0.019 5；

CD——空氣阻力系數(shù)，取0.65；

A——迎風面積，取6.5 m2。

由式（1）計算得Pemax=44 kW。在計算過程中，還要考慮到空調(diào)等附加功率（Padd/kW）。對于PHEV而言，還應(yīng)當考慮存在10%的充電功率余量和1%～2%的爬坡功率的余量。

式中：Ptal——發(fā)動機總功率，kW；

Pacc——發(fā)動機加速功率，kW；

Pchr——充電功率，kW。

綜合式（1）和式（2）得，Ptal=65 kW。結(jié)合市面上的發(fā)動機，選擇玉柴生產(chǎn)的YC4FB90-P40C型直列四缸、中冷增壓柴油發(fā)動機，具體參數(shù)如表3所示。

表3 YC4FB90-P40C型柴油發(fā)動機的主要參數(shù)

2.2 電機參數(shù)設(shè)計與選型

對于PHEV而言，電機主要用來提供驅(qū)動系統(tǒng)的峰值功率，起到均衡功率的作用。當PHEV處于高負荷運轉(zhuǎn)時，電機和發(fā)動機混合驅(qū)動，此時電機提供峰值功率。根據(jù)表2中的動力性能預(yù)期設(shè)計指標，進行相關(guān)參數(shù)計算。

1）最高車速功率需求（Pv/kW）[7]。當PHEV的車速為80 km/h時：

由式（3）計算求得Pv=44 kW。

2）爬坡功率需求（Pi/kW）[8]。由表2的動力性能指標可知，本次設(shè)計的PHEV的最大爬坡度（i）為20%，若以ua0=10 km/h的速度行駛，則可利用式（4）計算：

由式（4）計算求得Pi=37 kW。

3）超車加速功率需求（Pj/kW）[9]。由表2的動力性能指標可知，本次設(shè)計的PHEV的0～50 km/h加速時間小于20 s。Pj按照式（5）計算：

式中：ua1——平均超車速度，km/h；

δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.1；

由式（5）計算求得，Pj=90 kW。

結(jié)合PHEV的工作模式，該車的驅(qū)動電機的峰值功率應(yīng)該滿足爬坡或者超車加速時的要求。電機的額定功率（Pe/kW）為：

式中：λ——電機過載系數(shù)，取2；

Pdmax——電機最大輸出功率，kW。

考慮到PHEV在起步以及加速時對電機功率的要求和純電動驅(qū)動模式下的需求，電機功率還要考慮到一定的裕量，故初選Pe=45 kW，Pdmax=90 kW。

綜上所述，PHEV選擇一款永磁同步電機，型號規(guī)格為TZ26000，其性能參數(shù)，如表4所示。

表4 永磁同步電機的性能參數(shù)

2.3 動力電池的選型與參數(shù)匹配

動力電池采用HPC3R2600型號的磷酸鐵鋰電池，其單體電池參數(shù)，如表5所示。

表5 磷酸鐵鋰單體電池的參數(shù)

根據(jù)設(shè)計要求，PHEV在車速ua=20 km/h等速行駛的純電動續(xù)駛里程要達到40 km，由式（8）和式（9）計算求得，動力電池采用100個單體電池串聯(lián)，15個并聯(lián)，總共有30組，分為2個電池包。

式中：Pbat——純電動驅(qū)動功率，kW；

N——單體電池數(shù)量，個；

S——續(xù)駛里程，km；

ve——電池的放電速度，km/h；

C——單體電池額定容量，A·h；

U——單體電池放電電壓，V。

3 PHEV底盤總布置設(shè)計

在初步確定了PHEV的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式、底盤主要參數(shù)、底盤主要形式、動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)、底盤的各總成選型等，接下來要對底盤各個總成進行布置，包括繪制總布置草圖，并校核初步選定的各部件結(jié)構(gòu)是否發(fā)生干涉，使布置更合理。

3.1 整車基準線的確定

插電式底盤總布置圖坐標系，如圖1所示。繪制各基準線時，車頭向左來確定整車的坐標線，整車的底盤總布置圖，如圖2所示。

圖1 PHEV底盤總布置圖坐標系

圖2 PHEV底盤總布置圖

3.2 發(fā)動機的布置

本次設(shè)計的PHEV的發(fā)動機為四缸小型柴油機，在進行布置時，需要注意的發(fā)動機布置主要尺寸，如表6所示。

表6 PHEV的發(fā)動機布置尺寸要求

3.3 電池的布置

由于本次設(shè)計中采用的是磷酸鐵鋰電池，體積較小，容易布置。根據(jù)整車布置平衡的原則，電池組布置在車架兩側(cè)[10]。電池托架采用活動式，在需要檢查和更換電池時，方便拆卸。行駛系統(tǒng)的布置主要包括懸架的布置，要求如表7所示。

表7 PHEV行駛系統(tǒng)布置的尺寸要求mm

4 結(jié)論

通過對比串聯(lián)、并聯(lián)及混聯(lián)3種驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，結(jié)合本次設(shè)計的客車形式等綜合因素，確定了本次設(shè)計的PHEV的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為同軸并聯(lián)式；通過分析PHEV的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合汽車設(shè)計的相關(guān)法規(guī)，對汽車的主要形式進行了選擇，確定了PHEV的主要尺寸參數(shù)、整車質(zhì)量參數(shù)和主要性能指標；通過對PHEV動力傳動裝置參數(shù)的計算，確定了動力傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)及各部件選型；確定了PHEV底盤總布置時的整車基準線，然后對動力總成、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及制動系統(tǒng)進行合理的布置，避免了各總成部件發(fā)生干涉。