純電動城市客車動力系統匹配設計及試驗

成振坤，蹇小平，周在芳，盧 波，馮 鎮，朱文艷

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

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

0 引言

隨著社會的不斷進步，環境保護與經濟發展之間的矛盾日益突出，作為當今社會最主要的交通工具—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，世界各國都在發展新能源汽車，例如混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車。比較3種新能源汽車，純電動汽車的優勢更加明顯。純電動汽車以電動機代替燃油機，結構相對簡單，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很大的比重，因此迫切需要開發零排放的純電動城市客車。

文中在某款底盤（HFC6601KYD3）的基礎上，試制一輛純電動城市客車并對其進行性能試驗，使試制的客車滿足城市公交的運行要求。開發純電動城市客車對減少城市汽車尾氣排放，緩解城市經濟與環保之間的矛盾具有重要意義。

1 純電動城市客車動力系統匹配設計

1.1 純電動城市客車方案論證

驅動電機將動力傳遞到車輪有很多不同的方式，文中選取最傳統的動力傳遞機構，用電動機代替原燃油汽車的發動機，保留了離合器、變速器等傳統傳動部件[1]（圖1）。

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

1.2 電動中巴車的動力性要求

根據城市客車的的特點及運行工況，確定純電動城市客車的動力性指標如下：

（1）電動城市客車的最高車速為50 km/h；

（2）電動城市客車的最大爬坡度為8%；

（3）電動城市客車的加速時間為35s；

（4）根據城市公交的工況，續駛里程應達到80 km。

1.3 電機的功率計算

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

當純電動中巴車以最高車速vmax行駛時，此時車輛的加速度與爬坡度可以忽略不計，得：

當純電動中巴車以最大加速度amax行駛時，此時車輛的爬坡度可以忽略不計，得：

當純電動中巴車以最大爬坡度maxα爬坡時，此時車輛加速度可以忽略不計，得：

式中，ηT為汽車的傳動效率；f為滾動阻力系數；CD為空氣阻力系數。

根據上述動力性3項指標計算的各自最大功率，電機的最大功率Pmax必須滿足上述所有要求，即電機的額定功率與電機的最大功率關系如下：

式中，Pm為電機的額定功率；λ為電機的過載系數，取值范圍為[1,3]。

1.4 驅動電機的最高轉速

車速v與電機轉速n的關系為：

其中mi為車輛最高擋傳動比；0i為主減速器傳動比。

1.5 純電動城市客車驅動電機計算

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

表1 6601客車的一些原始參數

1.5.1 純電動城市客車電機功率計算

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

當電動中巴車以最大爬坡度i=8%爬坡時，汽車加速度忽略不計，使用1擋以v1=10km/h爬坡，根據公式（3）得到最大爬坡度下的電動機峰值功率Pmax3=16.76 kW。

1.5.2 電動城市客車的轉速計算

設計的電動中巴車有4個擋位，根據公式（5）得出各擋位下的轉速，如表2所示。

表2 驅動電機在各個擋位下的轉速

根據上述計算，選定電動機的最大功率18 kW，轉速在2 500 r/min左右。

通過市場調研與資料查詢，并參照所計算的電動機參數，選擇直流串勵電機ZC15-144C（圖3），電機參數如表3所示。

表3 電機參數

1.6 動力蓄電池參數計算

對于該電動城市客車，動力蓄電池參數的匹配一定要滿足電動機的電壓等級、功率要求、能量要求、電流要求等多方面因素。

電池的能量計算公式：

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

電動中巴車的續駛里程的計算公式：汽車以V(km/h)的速度行駛：

式中，P為電動中巴車的功率，kW；Wroad為電動中巴車驅動續駛里程所需的能量。

綜上所述，選擇使用3-D-240鉛酸蓄電池，如圖4所示。

該電池的具體參數見表4。

表4 電池參數

2 純電動城市客車的動力性能試驗

將所選電動機、電池及控制器等元件裝車后，仿真結果也能達到所設計的動力性能要求，因此對所設計的車輛進行動力性能試驗。參照國標 GB/T18385—2005《電動汽車動力性能試驗方法》[3]，設計了電動中巴車的動力性能試驗方案。考慮到電動中巴車的運行工況及工作特點，動力性能試驗主要是進行最高車速和加速性能試驗，而爬坡性能試驗為附加試驗。

按照上述要求與步驟在長安大學汽車試驗場地對試驗車輛進行了動力性能試驗。試驗結果見表5～表7。

表5 30min最高車速試驗結果

表6 最高車速試驗結果

表7 0～30km/h、30～50km/h加速性能試驗

試驗結果分析如下：30 min最高車速的設計值為45 km/h，試驗值為44.96 km/h；設計的最高車速為50 km/h，試驗值為51.3 km/h；車輛可以爬上12%的坡道；0～30 km/h加速時間為48.86 s，30～50 km/h加速時間為59.65 s；試驗得到的續駛里程為 81.6 km。由試驗結果知所設計的純電動城市客車的動力性與經濟性（續駛里程）基本符合設計要求。

3 結論

系統地提出了電動城市客車各動力總成參數的設計原則，對整車系統進行了設計，完成了電動城市客車的整車匹配。并在長安大學汽車試驗場進行了實車試驗，試驗結果表明所設計的純電動城市客車的動力性和經濟性（續駛里程）均達到了設計要求，驗證了匹配參數選取的合理性。

[1]陳清泉，孫逢春，祝嘉光. 現代電動汽車技術[M]. 北京：北京理工大學出版社，2002.

[2]曾小華，王慶年，王偉華. 某純電動中巴汽車的整車系統設計[C].吉林大學，2007.

[3]GB/T 18385—2005 電動汽車動力性能試驗方法[S]. 北京：中國標準出版社，2005.

[4]盧波. 純電動城市客車動力系統設計及試驗研究[D].長安大學，2010.

[5]馮鎮. 小型電動場地教練車動力系統匹配設計與仿真研究[D].長安大學，2010.