SWB6106EV8純電動(dòng)客車總體設(shè)計(jì)與分析

霍新強(qiáng)

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司 商用車技術(shù)中心，上海 200438）

在2010年上海世博會(huì)上，由上汽商用車技術(shù)中心開(kāi)發(fā)、上海申沃客車有限公司生產(chǎn)的純電動(dòng)、混合動(dòng)力、燃料電池等新能源大客車引起了很大的反響，取得了巨大的成功，同時(shí)也積累了很多開(kāi)發(fā)純電動(dòng)客車的經(jīng)驗(yàn)[1]。在世博純電動(dòng)、混合動(dòng)力整車開(kāi)發(fā)成果基礎(chǔ)上，結(jié)合動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、純電動(dòng)技術(shù)特點(diǎn)，貫徹系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求，遵循模塊化、可擴(kuò)展性原則，我司開(kāi)發(fā)了一款新的SWB6106EV8純電動(dòng)客車。

1 整車總體方案

1.1 整車外型

整車前后圍及側(cè)圍、頂蓋曲線為小曲率、大半徑，側(cè)圍為樣條曲線，頂蓋與側(cè)圍及前后圍與側(cè)圍的過(guò)渡采用小圓角過(guò)渡，側(cè)圍裙邊門(mén)采用橡膠鉸鏈，使整車外形顯得平整統(tǒng)一。

前大燈為整體式異型燈具，與保險(xiǎn)杠及整個(gè)前圍連為一體，成為連續(xù)光滑曲面。前風(fēng)擋采用大幅全景玻璃，高度達(dá)到前圍高度的3/5，使駕駛員和乘客視野更為開(kāi)闊；側(cè)窗為粘貼式玻璃，高度達(dá)到側(cè)圍高度的1/2，提高了車內(nèi)的通透性及觀光性（見(jiàn)圖1）。

內(nèi)部空間采用車廂中部座椅橫向布置，既適合整車動(dòng)力電池的布置特點(diǎn)，又使得整車顯得寬敞明亮。

1.2 車身及底盤(pán)結(jié)構(gòu)

整車車身骨架采用矩形鋼管焊接，形成半承載式車身，車內(nèi)中乘客區(qū)通道寬≥800mm，方便乘客通行；座椅間距≥650mm，保證乘客乘坐的舒適性。前客門(mén)為單內(nèi)擺門(mén)，凈開(kāi)度≥650mm，一級(jí)踏板離地高355mm；后客門(mén)為雙內(nèi)擺門(mén)，凈開(kāi)度≥1100mm，方便乘客上下車[2-3]。

車架為三段式結(jié)構(gòu)，采用前、中、后三段模塊化設(shè)計(jì)，便于組裝生產(chǎn)。側(cè)圍骨架與頂骨架以及車架的重要連接部位采用環(huán)形設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)，有利于承載力的傳遞，提高車身骨架的強(qiáng)度，也有利于模塊化生產(chǎn)、組裝和拼焊。

前橋采用東風(fēng)兩級(jí)落差前軸，額定載荷7500kg，后橋采用東風(fēng)后橋，額定載荷13000kg。懸架系統(tǒng)采用空氣懸架，前2后4氣囊，雙向作用筒式減振器。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電液助力轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，動(dòng)力源為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向泵，替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的助力轉(zhuǎn)向泵。制動(dòng)系統(tǒng)采用帶電車專用空氣干燥器的電動(dòng)空壓機(jī)提供氣源，替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)氣泵的雙回路氣制動(dòng)系統(tǒng)，并配備前盤(pán)后鼓式制動(dòng)器，附帶制動(dòng)蹄片磨損報(bào)警、ABS等功能，選裝制動(dòng)蹄間隙自動(dòng)調(diào)整。駐車制動(dòng)采用手控操縱、儲(chǔ)能彈簧制動(dòng)。

1.3 整車外形及質(zhì)量參數(shù)

該車的主要技術(shù)性能參數(shù)如下：長(zhǎng)×寬×高10480mm×2500mm×3050mm，前懸/后懸/軸距2160mm/3120mm/5200mm，接近角 /離去角≥8°/8°，整備質(zhì)量11950kg，最大總質(zhì)量17000kg，最高車速≥80km/h，最大爬坡度時(shí)速度≥20km/h，續(xù)駛里程≥110km。

2 整車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)中國(guó)城市客車工況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，城市客車的常規(guī)車速取值為40km/h[4]；根據(jù)公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（JTGB01-2003）對(duì)各級(jí)公路最大縱坡的規(guī)定，最大爬坡度取值為10.5%[5-6]。

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用與匹配

根據(jù)汽車功率平衡基本方程[7]、車速與電機(jī)轉(zhuǎn)速的換算公式[8]及電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的換算公式[9-10]和該車的相關(guān)參數(shù)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

由以上計(jì)算可以確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要參數(shù)，如表2所示。

表2 確定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要參數(shù)

參照以上參數(shù)，同時(shí)考慮電機(jī)的可靠性及成熟度，最終選用西門(mén)子的雙電機(jī)+耦合減速器（速比4.05）方案（見(jiàn)圖 2）。

1）單個(gè)電機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 西門(mén)子電機(jī)參數(shù)特性

2）電機(jī)輸出特性曲線見(jiàn)圖3。

雙電機(jī)額定功率67×2=134kW，大于最大質(zhì)量經(jīng)濟(jì)運(yùn)行速度狀態(tài)時(shí)需要的電機(jī)功率120kW；單電機(jī)額定扭矩160 N·m，按照控制策略，一般工況正常行駛時(shí)采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)耦合器降速增扭，160×4.05=648 N·m，大于最大質(zhì)量經(jīng)濟(jì)運(yùn)行速度狀態(tài)需求的電機(jī)扭矩429 N·m、最大質(zhì)量常規(guī)車速狀態(tài)時(shí)需求的電機(jī)扭矩309.8N·m和試驗(yàn)質(zhì)量常規(guī)車速狀態(tài)時(shí)需求的電機(jī)扭矩303.1N·m，可以滿足這些工況的需求[11]。最大爬坡度狀態(tài)時(shí)，雙電機(jī)使用最大扭矩共同驅(qū)動(dòng)，430×2×4.05=3483 N·m，大于最大爬坡度狀態(tài)需求的電機(jī)扭矩1876 N·m，可以滿足最大爬坡度狀態(tài)的需求。經(jīng)耦合器降速后，最高轉(zhuǎn)速也能達(dá)到使用要求。

2.2 電池容量的匹配

1）動(dòng)力電池能量計(jì)算。按電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法，根據(jù)電動(dòng)汽車試驗(yàn)質(zhì)量狀態(tài)下的續(xù)駛里程設(shè)計(jì)目標(biāo)值D和電機(jī)功率P40，采用等速法反向計(jì)算電池組總能量E。由能量平衡關(guān)系可得：

式中：E為電池總能量；η為傳動(dòng)系的效率，取90%；ηe為電機(jī)工作效率，由表3取94.1%；ηb為電池放電效率，取96%；P40為常規(guī)車速時(shí)的電機(jī)功率，由表1取40.8kW；D為續(xù)駛里程設(shè)計(jì)目標(biāo)值，由1.3節(jié)取110km，則電池總能量：

2）動(dòng)力電池的選用。由于該車配備的是快換電池箱，結(jié)合計(jì)算得到的電池能量和現(xiàn)有電池箱選用如下布置方式：3并×（6串+8串）×10箱，母線電壓：Umin=468 V，Umax=546V；總能量：141kW·h。

2.3 動(dòng)力系統(tǒng)的布置

該車動(dòng)力系統(tǒng)的總布置如圖4所示。

2.4 電機(jī)及相關(guān)傳動(dòng)部件的布置

該車采用電機(jī)后置后驅(qū)的布置型式，電機(jī)布置后橋后，后橋主減速器與水平方向的夾角為4°。后橋跳動(dòng)±80mm時(shí)，傳動(dòng)軸向上擺角7.48°，向下擺角7.29°，滿足法規(guī)傳動(dòng)軸擺角≤±8°要求。

2.5 電池箱的布置

該車采用10箱快換電池箱布置，分別對(duì)稱地布置在車架兩側(cè)的中部和后部，電池均設(shè)置箱門(mén)，可以實(shí)現(xiàn)智能換電機(jī)器人快速更換電池箱，每次更換電池箱的時(shí)間在10min之內(nèi)，安全可靠，便于保證整車的出勤率。同時(shí)整車也有備用充電功能（Plug-in），可以在夜晚用電低谷時(shí)進(jìn)行整車充電。

2.6 其他系統(tǒng)的布置

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器布置在左前部駕駛員座椅下的艙體內(nèi)，轉(zhuǎn)向助力管路較短，電動(dòng)空氣壓縮機(jī)布置在左后車輪前的艙體內(nèi)，冷卻系統(tǒng)布置在左后部電池箱上的艙體內(nèi)，低壓蓄電池布置在右后部動(dòng)力電池箱上的艙體內(nèi)，電機(jī)控制器和整車控制器布置在電機(jī)后部的艙體內(nèi)。

3 整車控制策略

整車控制系統(tǒng)采用CAN-bus總線控制。通過(guò)輸入端口、模擬量I/O轉(zhuǎn)換模塊、電子加速踏板信號(hào)、CAN總線等硬件采集路面信息、駕駛員意圖、車輛狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)，通過(guò)CPU和端口控制，來(lái)執(zhí)行預(yù)設(shè)的控制策略，再將指令通過(guò)CAN總線、I/O端口發(fā)送到動(dòng)力系統(tǒng)的執(zhí)行部件，進(jìn)行實(shí)時(shí)地、可靠地、科學(xué)地控制，以實(shí)現(xiàn)車輛的動(dòng)力性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。其整車控制邏輯關(guān)系如圖5所示。

3.1 系統(tǒng)安全控制

系統(tǒng)安全控制包括整車的電安全監(jiān)控、設(shè)備的正常運(yùn)行監(jiān)控等。

1）電安全監(jiān)控。由于純電動(dòng)客車采用高壓電驅(qū)動(dòng)，要以乘客和使用維修人員的安全為最高原則。為了保證電安全，整車高壓電部分采取了可靠的絕緣措施；當(dāng)整車發(fā)生著火、高壓系統(tǒng)電流過(guò)大、漏電過(guò)大或發(fā)生撞車等情況時(shí)，駕駛員能得到警示，同時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)切斷高壓電，并能將報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)車載GPRS無(wú)線通訊系統(tǒng)傳回監(jiān)控中心。

2）設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控。設(shè)備的正常運(yùn)行是整車安全和實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的保證，因此，需要對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。首先，在設(shè)備上電啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)行自檢；其次，在車輛運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；最后，在整車充電后，要保證充電插頭拔掉，快速更換電池箱，保證電池箱電極接觸良好，才能閉合高壓接觸器，同時(shí)還要監(jiān)測(cè)電池剩余電量、電壓、溫度、故障等信息。

3.2 檔位和驅(qū)動(dòng)模式控制

車輛在運(yùn)行過(guò)程中，按照駕駛員的駕駛指令有前進(jìn)、倒車、空檔等模式。同時(shí)在整車充電或快換電池箱時(shí)，還有相應(yīng)的控制模式。由于該動(dòng)力系統(tǒng)由兩個(gè)電機(jī)并聯(lián)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)整車，為了更好地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，將兩個(gè)電機(jī)分別設(shè)為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)和副驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以分時(shí)控制。當(dāng)車輛空載或輕載、低速時(shí)，可以采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；當(dāng)載客量增加、車速提高時(shí)，另一個(gè)電機(jī)再啟動(dòng)，以提供動(dòng)力。

3.3 優(yōu)先級(jí)控制

整車控制器如果同時(shí)接到兩個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)時(shí)，按優(yōu)先級(jí)順序控制，以保證系統(tǒng)及整車的正常運(yùn)行；若同時(shí)接到電子加速踏板信號(hào)和制動(dòng)踏板信號(hào)時(shí)，則優(yōu)先處理制動(dòng)踏板信號(hào)，以保證安全。

3.4 制動(dòng)能量回饋控制

制動(dòng)能量回饋是電動(dòng)車實(shí)現(xiàn)節(jié)能的重要措施。當(dāng)整車下坡、減速或制動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)要及時(shí)執(zhí)行制動(dòng)能量回饋策略，實(shí)現(xiàn)能量回收，同時(shí)保證車輛運(yùn)行的平順性，減小沖擊。

3.5 故障管理

故障實(shí)現(xiàn)分級(jí)管理，不同的故障按照相應(yīng)的級(jí)別進(jìn)行處理。比如出現(xiàn)著火、高壓系統(tǒng)電流過(guò)大、漏電過(guò)大或發(fā)生撞車等引起整車嚴(yán)重故障，危及乘員、維修人員安全時(shí)，要及時(shí)報(bào)警、切斷高壓電。當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)或控制器冷卻系統(tǒng)故障、電機(jī)或控制器溫度升高等一般故障時(shí)，及時(shí)報(bào)警，提示停車檢修；如果溫度進(jìn)一步升高，采取減低輸出扭矩的措施；如果還沒(méi)來(lái)得及檢修，溫度升高到有可能致使電機(jī)或控制器損壞時(shí)，則自動(dòng)切斷高壓電。當(dāng)一個(gè)電機(jī)出現(xiàn)故障，無(wú)法驅(qū)動(dòng)整車行駛，但其他系統(tǒng)均正常運(yùn)行時(shí)，可以采用另一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)“跛行”到路邊或維修地點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

SWB6106EV8純電動(dòng)客車的研發(fā)采用了上汽標(biāo)準(zhǔn)的GVDP整車開(kāi)發(fā)流程，采用先進(jìn)的項(xiàng)目管理以及三維仿真設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合世博會(huì)新能源汽車的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的全新產(chǎn)品。目前已通過(guò)了相關(guān)的性能及可靠性驗(yàn)證，故障率低，整車能量轉(zhuǎn)換率高，并有制動(dòng)能量回收功能，節(jié)電明顯。

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