純電動大客車動力傳動系統的研究*

趙立峰，李云清，何 鵬，劉 偉，于秀敏

(1.吉林大學汽車工程學院，長春 130025;2.北京航空航天大學交通科學與工程學院，北京 100191)

前言

電動汽車以其噪聲小、零排放等優點成為21世紀的重要交通工具和清潔汽車技術的最佳解決方案［1-2］。純電動客車動力總成主要包括能源系統、變速系統和驅動系統。動力總成是電動汽車的關鍵系統［3］，決定了整車的動力性和經濟性，是電動汽車實用化的關鍵系統［4］。能源系統主要是由動力電池和相關的管理系統組成。驅動系統是由驅動電機及其控制器、機械變速及傳動系統和車輪等構成，動力總成在整車控制系統的協調控制下［5］，實現駕駛員的操縱意圖。

車輛在城市內行駛，尤其是在大城市或交通高峰期間，平均時速很低，據統計平均為20～40km/h，其起動和停車頻繁。針對城市工況特點和電機機械特性，提出了使用手動離合器結合3擋變速器為主要特征的動力傳動系統，一方面兼顧了行駛中起停頻繁而帶來的沖擊，以及動力分離和結合頻繁問題;另一方面通過3擋變速器滿足整車動力要求，并使電機有更高的概率工作在高效區，可提高整車城市工況的經濟性。

1 整車概述

電動客車采用傳統客車底盤如圖1所示，電動客車基本參數見表1。

表1 底盤基本參數

采用傳統底盤可利用現有底盤技術，主要對動力傳動系統進行設計，同時根據整車對電量的需求配備動力電池箱。

大客車動力傳動系統峰值功率由加速性能、爬坡性能和高速行駛指標決定。利用車輛動力學理論，通過計算汽車按要求指標運行的驅動力和行駛阻力平衡方程，得到指標要求下的動力傳動系統所需的最大功率。

汽車行駛過程中，尤其是高速行駛時，由于汽車受到的風阻快速增長，所以需求的驅動功率也快速增加。汽車行駛過程中受到的阻力如圖2所示。根據最高車速須達到80km/h的設計目標，就可確定最高車速時動力傳動系統要提供84kW的功率。

在爬坡工況中，由于要克服坡道阻力，要求動力傳動系統提供較大的驅動力克服坡道阻力，所以汽車爬坡過程中動力系統也提供足夠大的功率。如圖3所示，以15km/h的車速爬坡，坡道按照18%的要求計算，動力系統須提供143kW的動力。

根據動力電機最大功率應滿足整車最大功率需求的原則，要求動力系統能提供大于143kW的動力，以滿足爬坡極限工況下對動力的峰值需求。

實際平路行駛過程中，峰值功率工作時間很短，以整車最高車速下的功率為額定功率，同時要求提供一定的儲備功率，所以額定功率為100kW;以平均車速40km/h行駛時，需要的驅動功率為39.58kW，額定功率可滿足過載條件(過載能力系數≥2)，因此取電機額定功率為100kW，峰值功率為150kW。

按照車輛爬坡18%的要求，根據動力傳動系統可使用的傳動比計算，電機峰值轉矩≥600N·m，車輛行駛過程中的驅動力和阻力如圖4所示。

同時根據儲備一定轉矩的設計要求，轉矩為800N·m比較合適。提高轉矩可提升整車的動力性，但是電機質量會隨之增加。

2 動力傳動系統

電動車動力傳動系統主要由能量系統、動力電機、離合器、變速器、傳動軸和后車橋組成。

2.1 電機系統

電機驅動系統可高效地把蓄電能轉化為機械能輸出給傳動系統，對于采用超級電容回收系統的電動車，也是回收制動能的關鍵系統，電機系統主要根據車輛的性能、駕駛需求和車載能源性能來設計。

高速電機(轉速在6 000r/min以上的動力電機)成本高、制造工藝復雜，在純電動大客車上少有應用。電動大客車采用了變速器，使整車對電機系統的轉矩和轉速等性能要求降低，選用低速電機可滿足性能需要，較大地擴大恒功率區系數值有利于整車的動力性，即在電機低速區域獲得較大的轉矩;過大的系數會增大電機電流和電機驅動系統設計難度。針對我國驅動電機狀況，系數在2～4之間為宜。計算出電動機的額定轉速應在1 500～3 000r/min之間。針對該車的具體情況，結合主減速器和變速器的速比，額定轉速定位為1 600～2 000r/min之間為宜;電動客車針對城市工況設計，額定轉速較低有利于客車行駛過程中更多地使用電機高效區，額定轉速較高有利于客車的動力性。

但在汽車的行駛速度一定時，如考慮直接擋為正常行駛擋，電動機的額定轉速越高，則傳動速比越大，有可能加大主減速器的速比和尺寸。因此電動機額定轉速的選擇應視具體情況，綜合考慮以上因素來確定。確定額定轉速為1 600～2 000r/min，最高轉速為3倍額定轉速。永磁無刷直流電機的機械特性如圖5所示，在達到額定轉速前是恒轉矩輸出，在額定轉速后是恒功率輸出。電機低速大轉矩特性有利城市工況下的頻繁起動，較傳統汽車而言，綜合效率非常高。

2.2 變速系統研究

目前，純電動客車有的采用兩擋機械變速器，其缺點是不能充分發揮電機特點，導致整車經濟性較低和整車動力性能差等一系列問題，同時在沒有離合器的情況下，兩擋變速器的換擋操縱通常是在車速較慢的情況下完成，行車過程中不便換擋，對車輛的操縱性能帶來很大的影響。純電動客車有的采用機械式自動變速器，從AMT目前的情況來看，由于增加了自動換擋結構，其可靠性下降，在實際使用中存在問題;而且動力傳動系統成本增加較大。綜上所述，手動機械式變速器是目前最為高效的解決方案。采用3擋變速器后，可提高整車的動力性，尤其是對改善車輛起步性能的效果顯著，通過調整齒輪速比可進一步改善動力性能;使用變速器后，可使動力電機的高效區覆蓋車輛行駛的低速區域，對通常采用兩擋和減速器的變速系統而言，高效區域覆蓋的車速區域較小，3擋變速器使電機高效區整體覆蓋范圍增大，可有效提高整車能耗經濟性。如圖6所示，圖中圓圈區域為電機高效區域，采用3擋變速器后高效區顯著增大。

2.3 電池系統

目前用于車輛的動力電池主要有鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、磷酸鐵鋰電池和鎳氫電池等。

鉛酸電池具有成本低、使用范圍廣等方面的優點，但是有能量密度低和壽命短等缺點，目前仍然有廣泛的應用。磷酸鐵鋰電池具有成本低、環保性能好和安全性好等優點，但是能量密度一般、制造工藝復雜。鋰離子類電池具有性能較為優異的特點，其性能的提高和成本降低的潛力都比較大，所以鋰離子電池是目前純電動汽車的最佳動力電池選擇。

電動車能耗計算與傳統車輛類似，采用單位里程電能消耗進行評價［6］

式中:e為電動汽車的單位里程能耗;E為電動車電池總能量;s為電動車續駛里程;En為電池額定總能量;ξE為實際可用能量系數。

電動汽車比能耗為

式中:e0為電動車比能耗;m為電動車整車質量。

續駛里程s為

3 動力傳動系統工況特性研究

動力傳動系統的基本參數見表2。

表2 動力傳動系統基本參數

動力傳動系統特性分析時采用的典型城市工況如圖7所示。在城市道路行駛時，起動和停車頻繁，平均時速只有20～30km/h，在實際應用中須使動力傳動系統具有良好的低速工況經濟性。

圖8為運行工況點在電機特性圖上的分布。由圖可見，在轉速1 500～3 000r/min區間，工況出現的概率較高，根據電機機械特性，在1倍～2倍基速區間是電機的高效區間，同時在此區間電機轉矩較大時效率較高，典型城市工況基本映射在電機高效率區間，使用工況逆向匹配電機效率區間的方法，可充分利用電機效率特性，進一步提高整車經濟性。

4 整車動力性研究

4.1 整車能耗計算

基于車輛動力學理論，對整車進行了仿真，車輛行駛過程中能量系統的狀態如圖9所示。如果開啟制動能回收，續駛里程延長約10%;行駛過程中時速40km/h，實際消耗功率約20kW，電動車能量消耗1.02kW·h/km，車輛勻速行駛過程能耗較為節約，頻繁制動和起動是能耗增加的主要因素。

4.2 道路測試

按照國家規定標準，對樣車進行了道路測試，具體結果見表3。車輛基本性能達到技術要求，說明所采用的動力傳動系統是一種有效的解決方案。

表3 整車測試結果

5 結論

(1)用于城市公交的電動客車，針對城市工況下的低速、頻繁停車和起動等為特征的行駛特點，通過動力傳動系統的逆向匹配，使電機在城市工況中更多地工作在高效區。

(2)動力傳動總成系統匹配特性主要有電機機械特性、離合器特性、變速器各擋速比以及主減速器速比和輪胎尺寸等，通過動力傳動系統特性匹配，滿足整車爬坡、高速和起動等動力要求，同時兼顧整車能耗的經濟性。

［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］ 李國良，初亮，魯和安.電動汽車續駛里程的影響因素［J］.吉林工業大學學報，2000，30(3):20-30.

［3］ 王文偉，孫逢春，林程.電動客車動力系統研究［J］.汽車工程，2006，28(9):786-791.

［4］ 杜發榮，吳志新.電動汽車傳動系統參數設計和續駛里程研究［J］.農業機械學報，2006，37(11):10-11.

［5］ 席軍強，王雷，付文清，等.純電動客車自動機械變速器換擋過程控制［J］.北京理工大學學報，2010，30(1):42-45.

［6］ 何洪文，余曉江，孫逢春.電動車輛設計中的匹配理論研究［J］.北京理工大學學報，2002，22(6):12-15.