純電動客車動力系統參數匹配及性能分析

王燕燕

（青島海霸能源集團有限公司，山東 青島 266400）

汽車動力系統是汽車的核心組成部分，對純電動客車來說又顯得尤為重要。本文在分析市場上現有純電動客車相關性能參數的基礎上，結合山東省青島市公路實際狀況，對青島海霸能源集團有限公司正在開發的編號為QHP6122BEV的12 m純電動公交車提出合理的整車基本參數與性能目標參數，并根據汽車理論的相關知識，對電動機、動力電池的初步選型及傳動系統的參數匹配進行了合理的計算。

1 整車基本參數

整車基本參數見表1。參考目前市場上同類電動客車技術參數，本文提出了純電動公交車的目標性能指標，見表2。

2 電動機參數匹配

純電動汽車的功率全部由電動機來提供，所以電動機功率的選擇必須滿足汽車的最高車速、最大爬坡度以及加速時間的要求。進行電動機功率確定時，假設沒有變速器，即電動機直接與主減速器相連接。

表1 整車基本參數

表2 純電動公交車的目標性能指標

2.1 電動機峰值功率及額定功率的匹配

1）通常以保證汽車預期的最高車速來初步選擇電動機的額定功率

式中:PN——電動機額定功率，kW；ηT——傳動系統效率；m——車重 （按國標要求取相應數值），kg；f——滾動阻力系數；Cd——風阻系數；A——車輛迎風面積；vmax——最高車速，km／h。

根據GB／T 18385—2005、 GB／T 18386—2005可得，此處m=15650kg，計算得PN=103kW。

2）汽車在爬坡的工況下，要求的瞬時功率，即電動機的峰值功率

式中:最大爬坡角αmax=arctan

計算得:在20 km／h的爬坡速度下需195 kW的功率。

3）給定全力加速時間要求下的車輛需求功率

假設車輛在平直路面上加速，車輛加速過程動力學方程為

式中:δ——汽車旋轉質量轉換系數

經驗公式為: δ=1.027+0.0003×ig2×i02， 即δ取值為1.04。

式中:Iw——車輪轉動慣量；If——電動機輸出軸和傳動軸的轉動慣量；i——電動機到車輪的傳動比。

式 （3）經過變形為

經過以上計算可得，欲使0—50 km／h加速時間≤25s，則需電動機功率為51kW。

2.2 電動機額定轉速及最高轉速的選擇

電動機的額定轉速由常規車速確定，即

式中:ne——電動機額定轉速，r／min；io——主減速比；ig——變速器傳動比；ve——常規車速，km／h（此處取常規車速為40 km／h）；r——車輪半徑，m。

由于純電動車無變速器，此處假設ig=1，計算得: 在40km／h速度下的額定轉速為1250r／min。

根據經驗，電動機的最高轉速應為額定轉速的2～4倍。所以，電動機的最高轉速為2500r／min（此處取2）。

2.3 電動機的額定轉矩與最大轉矩

1）電動機的額定轉矩由額定功率／額定轉速確定，即

式中:Me——額定轉矩，Nm。

計算可得，額定轉矩為787Nm。

2）電動機的最大轉矩由最大爬坡度確定，即

式中:M——最大轉矩，Nm。

計算可得，最大轉矩為2986Nm。

根據以上數據計算結果的匯總見表3。

表3 數據計算結果匯總

根據以上分析可得電動機基本參數如下:額定轉速為1250 r／min， 峰值轉速為2500 r／min； 額定轉矩為787 Nm，峰值轉矩為2986 Nm；額定功率為103kW，峰值功率為195kW。

說明:電動機性能分為連續工作性能和短時工作性能，其連續工作特性曲線由電動機的額定值來確定，短時工作特性曲線是電動機過載一定倍數之后的轉矩功率特性曲線。對短時工作特性曲線要控制電動機轉速在625r／min時，轉矩要達到2986Nm。

2.4 電動機的參數選擇與傳動系統的合理匹配

根據市場上現有電動機的情況合理選擇電動機的參數，并進行傳動系統的合理匹配。本文選擇的交流異步電動機 （JD147A）的參數見表4。

表4 交流異步電動機 （JD147A）的參數

由以上參數可知，電動機的額定功率比實際所需額定功率偏低，則整車的最高車速將有所降低，且電動機的峰值轉矩比實際所需轉矩偏低。

綜合以上參數特征，考慮增加固定速比的減速器以提高整車速度和電動機的轉矩，以此來彌補電動機的不足。經綜合考慮后本文增加了1.9固定速比的減速器。增加減速器的整車性能參數見表5，可滿足使用要求。

表5 增加減速器的性能參數

3 動力電池的參數匹配

動力電池系統是整車的能量源，為整車提供驅動電能。電池系統的體積、形狀和技術參數影響電動汽車的行駛性能，是電動汽車最重要的子系統之一。電動汽車動力電池系統的參數匹配主要包括電池類型的選擇、電池組電壓和能量的選擇。

3.1 動力電池類型的選擇

對動力電池來說，目前日韓企業傾向于使用錳酸鋰電池，而美國和我國企業則傾向于使用磷酸鐵鋰動力電池。磷酸鐵鋰動力電池以其循環壽命長、能量密度高、安全環保的優良性能得到我國各大客車生產廠家的廣泛認可，技術上也獲得較大的發展，被認為是新一代電動汽車理想的動力源。本文以青島海霸能源集團自主研發的磷酸鐵鋰動力電池作為整車的動力源。

3.2 電池組電壓的選擇

在匹配動力電池組電壓時，要求動力電池組的電壓等級與驅動電動機的電壓等級相一致。根據電動機的電壓，確定動力電池單體串聯的節數。

所選JD147A電動機的額定電壓為384 VDC，磷酸鐵鋰動力電池的單體電壓為3 V，則需128個單體磷酸鐵鋰動力電池串聯。

3.3 電池組能量的確定

電動汽車行駛里程S（km）所需的能量，可通過下式計算 （假定汽車以40km／h的速度行駛）

式中:P——汽車以純電動驅動所需的功率，kW；W——車輛行駛里程S（km）所需的能量，kWh。

計算可得:P為36kW；W為135kWh。

串聯電池組的能量為W=200 Ah×384 V=76800 Wh=76.8kWh，則所需電池組并聯數為2。

綜上所述，欲使續駛里程達到150 km（若想要增加續駛里程，則可增加電池容量），所需電池參數見表6。

表6 所需電池參數

4 電動汽車傳動系統參數確定原則

電動汽車的傳動系統參數匹配設計主要包括變速器的匹配設計和主減速器的匹配設計。在電動機輸出特性一定時，傳動系傳動比的選擇主要取決于電動汽車的動力性要求，即最大傳動比取決于整車的最大爬坡度，最小傳動比取決于整車的最高車速。

4.1 傳動系最小傳動比的選擇

傳動系最小傳動比imin是變速器最高檔速比igmax與主減速器速比io的乘積，由電動機的最高轉速和車輛最高車速決定。車速與電動機轉速的關系為vmax=，電動機最高轉速為4500r／min，計算可知，變速器最小傳動比應滿足以下條件:imin≤11.58， 由于主減速器速比io取值為5.63， 則igmax≤ 2。

4.2 傳動系最大傳動比的選擇

傳動系最大傳動比imax是變速器最低檔速比ig1與主減速器速比io的乘積，由電動機的峰值轉矩和車輛最大爬坡度決定

電動機最高轉矩為1600 Nm，計算可知，變速器的最大傳動比應滿足以下條件:ig1≥1.5。變速器傳動比取值較大時，可以減小對電動機的最大轉矩需求，有利于減小過載，延長電動機壽命。

綜上所述，若選用JD147A電動機，減速器速比選擇1.9， 后橋速比選擇5.63是合理的。

5 結束語

本文在深入分析純電動客車動力性能的基礎上，以青島海霸能源集團有限公司正在研發的編號為QHP6122BEV的12 m純電動公交車為實例，詳細分析計算了為達到整車目標性能參數，所需選用電動機的參數及動力電池的參數，并驗證了所匹配傳動系統參數的正確性。目前，通過以上計算所選擇的電動機、動力電池、減速器速比及驅動橋主減速器速比均已在海霸能源QHP6122BEV純電動公交車上體現。對QHP6122BEV整車實際性能參數能否達到目標性能參數，仍須車輛試運行后進一步驗證。

［1］余志生.汽車理論［M］.北京:清華大學出版社，1993.

［2］程夕明，孫逢春.電動汽車能量存儲技術概況［J］.電源技術， 2001， 25 （1）: 47-52.

附:關于磷酸鐵鋰電池

1 審稿意見

1）2010年9月16～17日日本福井大學教授、前克萊斯勒-三菱汽車研發指導委員會聯合主席安東宏光接受搜狐汽車專訪時說，比亞迪的技術是三四十年前的技術，現在已經寫到技術性的教科書上。教科書上已經寫的就不是很高的技術，是相對落后的技術。可能各個市場不一樣，中國市場也許磷酸鐵鋰很適合用，但是在日本不適合用。

2）2010年11月下旬的人民日報文章說，磷酸鐵鋰在世界主流車企動力電池解決方案的比拼中，逐漸顯露敗象。

想知道作者的看法。

（董 輝）

2 作者對審稿者提出的兩條報道的看法

1）對動力電池來說，目前日韓企業傾向于使用錳酸鋰電池，而美國和我國企業則傾向于使用磷酸鐵鋰電池。

2）磷酸鐵鋰與錳酸鋰的優勢和劣勢比較，見表7。由表7可知磷酸鐵鋰電池和錳酸鋰電池各自存在著優勢和劣勢。磷酸鐵鋰憑借循環壽命長，能量密度高等優點成為我國重點研究對象。目前磷酸鐵鋰電池受生產工藝、原材料特性及品質的限制，造成單體電池一致性較差、導電率較低、低溫效果差等缺陷，實際應用中出現眾多不足。但隨著國家政策的大力扶持及各大廠家的聯合研究攻關，磷酸鐵鋰電池的導電率低、生產工藝一致性差的問題，正在逐步得到解決。

表7 磷酸鐵鋰與錳酸鋰的比較

正如安東宏光所說的 “解決安全問題是技術人員必須面對的，所以他們就放棄使用磷酸鐵鋰電池”一樣，任何國家在研發一種新型產品時必須面臨外界的影響，必須反復不斷地實驗，技術才能不斷地上升。對磷酸鐵鋰電池研發中出現的眾多問題，我國也應有日本人那種鍥而不舍的精神，堅持我國電池研究的方向 （當然這種堅持需建立在技術有可能提升的基礎上，不可盲目堅持），相信經過不斷的技術改進及在實踐中的驗證，磷酸鐵鋰電池一定會不負重望。