純電動輕型客車高集成度動力系統方案設計優化

汪 帆, 王坤俊, 周 歡, 諶九龍, 劉冬福

(中車時代電動汽車股份有限公司, 湖南 株洲 412007)

本文在某直驅結構的純電動輕客原型車基礎上,分析其高壓架構,通過重新選型匹配,提出一種低成本、高集成度的動力系統改進方案。該方案不僅能降低整車成本、提升集成度,同時也能滿足經濟性和動力性設計指標,達到降本增效的目的。

1 原型車方案缺點分析

原型車總質量為4.5 t,儲能系統采用81.14 kW·h磷酸鐵鋰電池,整車的高壓系統架構如圖1所示。

圖1 原型車高壓動力系統架構

其中主驅系統由大扭矩直驅電機(額定功率65 kW,峰值功率120 kW)和單電機控制器組成,輔驅轉向系統采用高壓電動助力轉向系統,高壓配電功能由儲能系統自帶的電池高壓盒與多合一控制器組成。

該方案主要缺點如下：

1) 主驅系統采用大扭矩直驅電機導致成本高[1]。同功率性能的情況下,高速化能讓電機變小,且成本更低。以適用于4.5 t輕客車的120 kW電機為例,大扭矩直驅電機每臺成本在8 000元左右,而目前高速電機加單減速器組合的驅動系統成本可控制在6 000元以內,成本相較于大扭矩直驅電機可降低25%;此外,高速單減系統還有體積小,利于整車布置;重量低,利于整車輕量化的優勢[2]。

2) 轉向系統采用EHPS高壓液壓助力轉向方案導致功耗比乘用車行業成熟應用的EPS(電動轉向)大,且含有液壓油等潛在污染物。在商用車電動化和智能化的發展趨勢下,市場對轉向系統提出了新要求,如節能環保、結構簡單、安全舒適、隨速助力等[3]。目前的EHPS方案逐漸無法滿足市場需求,需采用EPS等新的技術方案。

3) 高壓動力系統架構集成化程度低導致系統成本高,效率低。原型車高壓動力系統核心模塊有電池高壓盒、輔驅控制器和電機控制器等多個零部件,結構較零散,集成度較低,其成本比集成式高很多。此外,系統集成度低,零部件多還導致整個高壓動力系統總體體積大、重量高、接口復雜,系統效率低。

2 對原型車方案的改進

2.1 主驅系統高速化與集成化

改進方案采用高轉速小扭矩電機+減速器[4],同時集成電機控制器的“三合一”驅動結構替代原有的大扭矩直驅系統,以主驅系統高速化[5]與集成化的改進方式在技術方案上實現降本[6]。

2.1.1 主驅系統改進方案功率匹配計算

根據汽車理論,分別計算加速時的最大功率Pa,最大爬坡度時的最大功率Pα,最高車速時的最大功率Pv[7],然后確定主驅系統最大功率Pmax。具體公式如下：

(1)

(2)

(3)

Pmax=max(Pa,Pα,Pv)

(4)

式中：vk為車速;σ為旋轉質量系數;m為整車質量;a為瞬時加速度;f為滾動阻力系數;Cd為空氣阻力系數;A為迎風面積;vi為爬坡車速;αmax為最大爬坡度;vmax為最高車速。

通過計算得出Pmax至少為86 kW,額定功率至少為Pmax/2=43 kW。

2.1.2 主驅系統改進方案最大轉矩和最大轉速計算

由汽車理論可知,最大轉矩Tmax由最大爬坡度確定,計算公式如下[8]：

(5)

式中：r為滾動半徑;i為主減速比。

最高轉速nmax由最高車速vmax確定：

nmax=vmax×i/(0.377r)

(6)

通過計算可知,Tmax不低于855 N·m,nmax不低于3 537 r/min。

考慮過載系數[9]、結合體系資源成熟度及競品同類車型產品配置信息,最終選定的驅動系統功率參數見表1。

表1 驅動系統主要參數表

2.2 轉向系統改為電動轉向

新能源汽車智能化、網聯化的發展已逐步朝無人駕駛演進,其中轉向系統將朝線控轉向發展。而輕型商用車的轉向系統目前正在向低壓電動轉向(EPS)系統過渡[10]。EPS系統相對EHPS有以下優點：①能耗降低3%左右;②零件減少,減少轉向系統裝配的時間和故障點;③因高壓輔驅系統減少DC/AC模塊,故轉向系統成本更低[11]。EPS也有缺點：①系統整體輸出扭矩偏小,暫不適用于大噸位的商用車;②由于EPS電機一般集成在方向機上,位置相對固定,相對EHPS電機布置缺乏一定靈活性,對整車布置和系統電磁兼容要求更高。

基于上述EPS的優點,故本文轉向系統的改進方案為EPS替代原有的EHPS。

整體式動力轉向輸出力矩TG經驗計算公式如下：

(7)

式中：μ為輪胎與路面摩擦系數;G為前軸載荷;P為前軸輪胎氣壓;iw為轉向機構角傳動比;η1為轉向傳動機械效率。

通過計算得出,整體式轉向輸出力矩TG在1 347 N·m左右,根據現有供應商資源,最后選取最大輸出扭矩為1 500 N·m的低壓EPS。其主要參數如下：最大輸出力矩1 500 N·m,電機電壓24 V,電機額定功率850 W。

2.3 高集成度高壓架構制定

提高高壓架構的集成度從兩方面著手：一是上述主驅系統將電機、電機控制器和減速器進行集成;二是將儲能系統高壓接線盒和整車高壓PDU模塊集成[12]。

改進后的動力系統高壓架構框圖如圖2所示。

圖2 改進方案動力系統架構

按改進后的動力系統高壓框圖架構,結合上述主驅系統、輔驅系統及儲能系統的匹配設計,高壓輔控總成主要模塊及參數確定如下：

1) BMS高壓控制集成模塊。包括高壓接觸器控制、主回路電壓電流采集、絕緣檢測、單支路直流快充接口功能等。其中BMS高壓配電,仍采用原車型的81.14 kW·h儲能系統方案,額定電壓540 V,電壓范圍為400～700 V;額定持續充放電150 A,60 s最大允許放電及回饋電流300 A。

2) 四路直流PDU模塊,含三合一電驅動系統直流配電、電空調直流配電及電除霜電加熱直流配電的直流高壓配電功能。

3) 一路DC/DC模塊與原型車一致,仍為低壓24 V平臺,額定3 kW,最大3.6 kW。

3 改進方案成本及性能評估

3.1 高壓系統成本對比

高壓動力系統改進方案的各項成本都有所降低(具體見表2),總計降本7 000元。

表2 改進方案相較原方案的成本降低

3.2 整車系統性能校核

改進方案和原方案在整車上應用的仿真結果對比見表3。從表3可知,改進方案完全滿足設計要求;相比原方案,改進方案在動力性方面(爬坡度和加速度)提升明顯,在經濟性方面變化不大。

表3 整車性能仿真結果

4 結束語

本文以某電動輕型客車基礎車型為例,對其高壓架構進行集成化規劃制定,重新匹配選型動力系統;動力系統的改進方案相較原型車降本明顯,同時經仿真分析,改進方案的動力性、經濟性指標也遠超設計要求,實現了降本增效的設計目標。本文對輕型商用車高壓架構規劃及動力系統選型匹配有一定參考價值。