某8 m純電動(dòng)客車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

羅丙荷

(1.江西凱馬百路佳客車有限公司， 南昌 330013； 2.江西省新能源客車工程技術(shù)研究中心， 南昌 330013)

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵組成部分，其參數(shù)匹配對(duì)整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和能耗都有很大的影響[1]。本文以某8 m純電動(dòng)客車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，介紹其最大扭矩、最高轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)功率、加速時(shí)間、續(xù)駛里程的計(jì)算及方案的匹配過(guò)程。

1 動(dòng)力系統(tǒng)計(jì)算

1.1 車輛主要參數(shù)及配置

根據(jù)車輛的實(shí)際應(yīng)用需求，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[2]，設(shè)定該車的主要參數(shù)。整車整備質(zhì)量為7 900 kg，最大總質(zhì)量為11 500 kg，最高車速為69 km/h，0～50 km/h 加速時(shí)間≤20 s，最大爬坡能力≥20%，等速40 km/h續(xù)駛里程為250 km，主減速比為5.86，迎風(fēng)面積為5.78 m2，滾動(dòng)半徑為414 mm，動(dòng)力電池容量為127.7 kW·h。

本車型傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配有兩種方案可選：一種為驅(qū)動(dòng)電機(jī)直驅(qū)；另一種為采用兩擋AMT，其中第一擋速比為2.6，第二擋速比為1。

1.2 最大扭矩計(jì)算

車輛在行駛過(guò)程中的力平衡方程式如下[3]：

Ft=Ff+Fw+Fi+Fj

(1)

式中：Ft為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力；Ff為滾動(dòng)阻力；Fw為空氣阻力；Fi為坡道阻力；Fj為加速阻力。單位均為N。

一般情況下，車輛在最大爬坡度下所需要的扭矩是最大的，考慮在最大爬坡度的情況下，幾乎沒(méi)有加速度，此時(shí)可忽略加速阻力Fj。本文車輛以15 km/h的速度通過(guò)20%坡度。

(2)

式中：Ttq1為驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩；ig為傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比，先考慮電機(jī)直驅(qū)，取值1；io為主減速器速比，取值5.86；ηT為主減速器的機(jī)械傳動(dòng)效率，取值95%；r為車輪滾動(dòng)半徑，取值0.414 m；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，取值0.011；m為滿載質(zhì)量，取值11 500 kg；g為重力加速度；最大爬坡度為20%，即tanα= 0.2；CD為空氣阻力系數(shù)，取值0.65；A為車輛迎風(fēng)面積，取值5.78 m2；ua為車輛行駛速度，取值15 km/h。

根據(jù)上述參數(shù)，得出采用電機(jī)直驅(qū)方案的計(jì)算結(jié)果為Ttq1=1 770 N·m。

1.3 最高轉(zhuǎn)速計(jì)算

驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與車速對(duì)應(yīng)的關(guān)系為[6]

ua= 0.377rn/(igio)

(3)

式中：ua為車速，最高車速取值69 km/h;n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；r、io與1.2節(jié)取值相同；無(wú)論哪種方案，車輛最高車速時(shí)的ig均為1。則最高車速對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果為n= 2 591 r/min。

1.4 驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算

汽車在行駛過(guò)程有如下功率平衡方程式[7]：

(4)

式中：Pe為驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率；i為坡度；CD為風(fēng)阻系數(shù)，取值0.65；A為迎風(fēng)面積，取值5.78 m2；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，取值1；du/dt為行駛加速度。

1) 按最高車速計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率Pvmax。電機(jī)額定功率應(yīng)當(dāng)滿足最高車速要求，即額定功率應(yīng)大于等于車輛在無(wú)坡度路面上以最高車速勻速行駛時(shí)所受到的阻力功率。最高車速行駛時(shí)，坡道阻力和加速阻力消耗的功率可忽略，把相關(guān)數(shù)值代入式(4)，可得最高車速時(shí)電機(jī)輸出的額定功率Pvmax= 42 kW。

2) 按最大爬坡度計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率Pimax及最大扭矩校核時(shí)，最大爬坡度是電機(jī)峰值功率必須考慮的因素。按照最大爬坡度計(jì)算時(shí)，可忽略加速阻力，把相關(guān)數(shù)值代入式(4)，可得車輛在20%的坡道以15 km/h的車速行駛需要的功率Pimax=104.5 kW。

另外，按照電機(jī)扭矩計(jì)算公式[8]校核電機(jī)最大扭矩：

Ttq2=9 549Pimax/ni

(5)

式中:ni為車速15 km/h時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)式(3)計(jì)算，結(jié)果為563 r/min，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(5)，可得車輛在20%的坡道以15 km/h的車速行駛需要的電機(jī)扭矩Ttq2=1 772.4 N·m。

取式(1)和式(5)計(jì)算結(jié)果中的大者，驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大扭矩應(yīng)大于1 772.4 N·m。

3) 按加速度時(shí)間計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率Pc。

電機(jī)的峰值功率還應(yīng)滿足加速性能的要求。

(6)

式中：ta為0～50 km/h加速時(shí)間，取值20 s；uf為加速后的終速,取值13.89 m/s；ub為電機(jī)基速下車速，設(shè)基速為1 020 r/min，對(duì)應(yīng)車速則為7.5 m/s；ρ為空氣密度，取值1.202 kg/m3。把相關(guān)的數(shù)值代入式(6)，可得Pc= 85.5 kW。

1.5 續(xù)駛里程估算

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定要求，40 km/h勻速65%載重工況下，由式(4)得到行駛功率P40=16.2 kW，該車型低壓負(fù)載取值為2 kW。

T= 0.95E/P

(7)

式中：T為40 km/h勻速65%載重工況下，95%電量所能提供的放電時(shí)間；P為40 km/h勻速65%載重工況下的電機(jī)功率，P=16.2+2=18.2 kW；E為動(dòng)力電池電量，取值127.7 kW·h；0.95為動(dòng)力電池可使用的電量比值。把相關(guān)數(shù)值代入式(7)可得計(jì)算結(jié)果T=6.67 h，則該工況下續(xù)駛里程S=T·V=266.8 km。

1.6 電機(jī)外特性參數(shù)匯總

綜合上述的計(jì)算結(jié)果，該車型驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率Pe≥Pvmax=42 kW；峰值功率Pmax應(yīng)≥max(Pvmax，Pimax，Pc)=Pimax=104.5 kW；最高轉(zhuǎn)速應(yīng)≥2 591 r/min；最大轉(zhuǎn)矩Ttq應(yīng)≥1 772.4 N·m。

2 方案匹配

2.1 直驅(qū)和AMT方案對(duì)比

目前國(guó)內(nèi)純電動(dòng)客車傳動(dòng)系統(tǒng)的主流方案有電機(jī)直驅(qū)和AMT兩種。兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

1) 直驅(qū)方案。優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可靠，易于布置，駕駛體驗(yàn)好。缺點(diǎn)為相比同等級(jí)的AMT方案所配驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩大，成本高，電機(jī)控制器容量大且成本高，在復(fù)雜工況下系統(tǒng)效率較低。

2) AMT方案。優(yōu)點(diǎn)為電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩需求小，電機(jī)控制器容量小，成本低。缺點(diǎn)為系統(tǒng)組成復(fù)雜，技術(shù)要求高，軸向尺寸較長(zhǎng)，不易布置安裝，換擋過(guò)程中有短暫動(dòng)力丟失，駕駛體驗(yàn)較差。

2.2 方案匹配

1) 電機(jī)直驅(qū)方案。因上文的計(jì)算結(jié)果均為ig取值1所得到。所以直驅(qū)方案的匹配結(jié)果即為1.6節(jié)所述。

2) AMT方案。由于本文所選用的兩擋AMT的第二擋速比為1。所以相對(duì)于與其相匹配的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可與電機(jī)直驅(qū)方案相同，因AMT的第一擋速比為2.6，且AMT的傳動(dòng)效率ηT1取值95%，所以與AMT相匹配的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大輸出扭矩Ttq=(Ttq2/2.6) /ηT1≥(1 772.4/2.6)/0.95=717.57 N·m即可，選取為850 N·m；與AMT相匹配的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率和額定功率應(yīng)分別≥104.2/0.95≈110 kW和≥42/0.95≈44.2 kW。本車型所匹配的AMT最大允許輸入扭矩1 300 N·m>850 N·m (安全系數(shù)1.5左右)，因此所選AMT也滿足設(shè)計(jì)匹配要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了某8 m純電車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，比較了直驅(qū)和AMT兩種匹配方案，為純電動(dòng)客車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)參考。通常情況下，車輛的最大扭矩需求高于1 500 N·m時(shí)，AMT模式比直驅(qū)模式成本低約5%。