純電動城市客車動力傳動系統的布置設計

母洋文，劉 平，劉 宇

Mu Yangwen，Liu Ping，Liu Yu

（西南交通大學機械工程學院汽車工程研究所，四川 成都 610031）

純電動城市客車和傳統燃油城市客車的動力傳動系統有很大區別。首先，純電動汽車中電池組的布置更加靈活，電池組可以做成很多塊，布置在底盤或車身上的多個位置。其次，電動機可以在相當廣的范圍內高效地產生轉矩，從而大大簡化甚至省去了變速器機構。最后，電池的電能主要通過柔性的電線而不是剛性聯軸器和轉軸傳遞，因此，純電動汽車省去了諸多機械裝置，各部件的布置具有很大的靈活性[1]。這樣，可以通過對各部件的靈活布置來選擇電動汽車最佳的質心位置、最合理的軸重分布，從而使電動汽車的操縱穩定性達到最優。

文中采用 Adams/Car軟件建立純電動城市客車多體動力學仿真模型，在不同的動力傳動系統布置方案下，依據國家標準的規定，對整車的操縱穩定性進行仿真分析，選擇出最優方案。

1 建模所需的整車及部件參數

研究中所使用的車型沒有變速器機構，只有位于后橋上的主減速器。因此，所討論的動力傳動系統的主要部件為動力電池組和驅動電動機及其控制器。

1.1 整車參數

該型純電動城市客車的主要參數見表1。

表1 整車參數

1.2 電池參數

所選用的動力蓄電池種類為鋰離子電池，類別為磷酸鐵鋰，電池的參數見表2。

表2 電池參數

1.3 電動機參數

所選用電動機的參數見表3。

表3 電動機參數

2 布置方案設計

設計動力傳動系統布置方案時，應當從整車布置的技術合理性出發，充分考慮其拆裝可能性，維修保養時的接近性，并保證部件與部件之間具有足夠的靜止間隙和運動間隙。遵循合理分配前后軸荷的原則，當前、后軸上的載荷有一個超過60%時，都必須對總布置進行修改和調整[2]。

為了便于描述各部件布置的位置，建立一個整車坐標系，原點o為車輛縱向對稱面和地平面的交線與車身前端在地平面上投影線的交點。車輛縱向對稱面和地平面的交線取為x軸，規定向后為正向。z軸與地面垂直，規定向上為正向。y軸在地平面上，規定面向前進方向的右方為正向[3]。

2.1 方案 1

受到車前部過道處地板離地高度和過道寬度的限制，在過道下方不布置電池、電動機；同時給后車門留出足夠的安裝空間，后車門下方也不進行布置。

把單體電池打包成12包，左右對稱地布置在車身上。前、后軸之間布置8個電池包，每包有36個單體電池（2并 18串），每個電池包的體積為960×660×300 mm3，質量為230 kg。后軸后面布置4個電池包，每包有18個單體電池（2并9串），電池包的體積為660×660×300 mm3，質量為120 kg。將右側的電池組編為1～6號。由于后軸是驅動軸，為了便于布置電動機和驅動軸間的傳動裝置，將電動機置于后軸后方，靠近驅動軸的位置。

方案1中電池、電動機的安裝示意如圖1。1～6號電池包的質心和電動機的質心位置坐標見表4。

表4 方案1中電池包和電動機的質心位置坐標

續表4

2.2 方案2

采用低地板是未來城市公交的發展趨勢，因此，為了降低地板高度，以及更平均地分配前后軸荷，設計出方案2。方案2把單體電池打包成6包，左右對稱地布置在車身上，將右側的電池組編為1～3號，如圖2所示。1、3號電池包中，每包有72個單體電池（2并36串），每個電池包的體積為 2000×900×300 mm3，質量為 440 kg；2號電池包有36個單體電池（2并18串），電池包的體積為 600×1000×400 mm3，質量為 230 kg。

電動機的布置位置與方案1相同。1～3號電池包的質心和電動機的質心位置坐標見表5。

表5 方案2中電池包和電動機的質心位置坐標

2.3 方案3

為了充分利用車頂部的空間，在車頂部可利用的空間里布置電池包，從而設計出方案3。將單體電池打包成 8包，左右對稱地布置在車身上，并將車身右側的電池編為1～4號，見圖3。1、2、4號電池包中，每包有36個單體電池（2并18串），每個電池包的體積為1360×1100×240 mm3，質量為230 kg。3號電池包有72個單體電池（2并36串），電池包的體積為 1600×1100×400 mm3，質量為435 kg。

電動機的布置位置與方案1相同。1～4號電池包的質心和電動機的質心位置坐標見表6。

表6 方案3中電池包和電動機的質心位置坐標

3 整車仿真模型的建立

整車仿真模型包括前后懸架子系統模型、轉向子系統模型、輪胎子系統模型、車身子系統模型、制動子系統模型等。在 Adams/Car中建立方案1～方案3的整車仿真模型見圖4～圖6。

在軟件中測得 3種方案下整車的質心位置和前、后軸荷見表7。

表7 3種方案整車質心位置和前、后軸荷

4 仿真分析

汽車操縱穩定性涉及的問題較為廣泛，需要采用較多的物理參量從多方面進行評價。文中只討論最基本部分：轉向盤角階躍輸入下的穩態、瞬態響應與角脈沖輸入下的橫擺角速度頻率特性。

4.1 轉向盤角階躍仿真試驗

根據 GB/T 6323.2—94的規定，車輛以 60 km/h的速度直線行駛0.2 s后，用0.5 s的時間使轉向盤轉動 100°，整個過程中車輛的運動響應見圖7～圖9：

從圖7～圖9可以得出：汽車穩態時，方案1（project_001）的橫擺角速度和側向加速度的值最小，穩態響應最好；瞬態過程中，方案 1的反應時間最短，峰值最小，瞬態響應最好。

4.2 轉向盤角脈沖試驗

根據GB/T 6323.3—94的規定，車輛以60 km/h的速度直線行駛0.2 s后，用0.5 s的時間轉動轉向盤 150°，并轉回原處，然后保持不動。整個過程中車輛的運動響應見圖10、圖11。

從操縱穩定性出發，要求幅頻特性曲線盡量平緩，共振頻率盡量高，通頻帶寬盡量寬，從而保證不同工況下失真度較小，獲得滿意的操縱性能。因此，從圖12中容易看出，方案1的動態特性最好。

5 結 論

在汽車總布置設計思想的指導下，針對純電動城市客車動力傳動系統的布置提出了 3種不同的方案。3種方案都確定了電池組和電動機的布置和位置，并計算了軸荷分配。為了滿足操縱穩定性的要求，在Adams/Car中建立了3種方案的對應整車仿真模型，并進行操穩性仿真分析，分析結果表明，方案1的操穩性優于方案2和方案3。研究結果對純電動城市客車動力系統的布置設計具有一定的參考意義。

[1]趙云. 電動汽車結構布置及設計[J]. 汽車電器，2006（6）：4-11.

[2]汪植亮，吳憲. 燃料電池轎車總布置的參數化設計[J]. 上海汽車，2005（5）：18-21.

[3]余志生. 汽車理論[M]. 北京：機械工業出版社，2010.

[4]黃菊花，閆菊. 基于某商務電動汽車操縱穩定性仿真分析的底盤布置優化[J]. 南昌大學學報：工科版，2012，34（1）：53-57.

[5]GB/T 6323.2—94，汽車操縱穩定性試驗方法轉向瞬態響應試驗（轉向盤轉角階躍輸入）[S].

[6]GB/T 6323.3—94，汽車操縱穩定性試驗方法轉向瞬態響應試驗（轉向盤轉角脈沖輸入）[S].