基于AMT纯电动客车动力总成设计

张勇，赵学科，柳建新



基于AMT纯电动客车动力总成设计

张勇1，赵学科2，柳建新3

（1.重庆机电装备技术研究院有限公司，重庆 401123；2.重庆电子工程职业学院，重庆 401331；3.重庆瑞时达动力科技有限公司，重庆 401123）

以中型纯电动客车为研究对象，对动力总成匹配关键技术进行研究，主要包括驱动电机、动力电池、以及变速器参数的匹配设计及选型，并通过AVL cruise软件搭建整车动力学模型，进行动力系统仿真试验，验证了仿真模型建立的准确性及动力系统参数匹配的合理性，同时，搭建动力总成试验台架，对匹配完成的系统进行动力性与经济性试验，并与仿真结果进行对比，为纯电动客车动力总成系统的设计选型提供依据。

汽车动力系统；纯电动客车；AVL cruise；仿真分析

汽车动力系统是汽车的核心组成部分，对于纯电动客车来说尤为重要。对动力系统部件的设计参数进行研究是提高电动客车性能的重要手段之一，其参数的选择或匹配是否得当，将会直接影响电动客车的动力性、经济型等关键性能。本文在分析市场上现有纯电动客车相关性能参数的基础上，结合中国典型城市公交实际状况，对某公司正在开发的纯电动客车动力总成进行设计，提出合理的整车基本参数与性能目标参数，并且结合对其匹配的电机、电池和AMT变速箱的性能特点，对其进行参数匹配设计。

1 设计要求

针对某款中型纯电动客车项目，根据设计需求，要求满足20%最大爬坡度动力性要求，同时最高车速根据要求低于69 km/h。在参数匹配优化过程中，需要根据整车需求指标，不断的优化设计，从而匹配出最佳的动力系统，因此设计需求指标的提出尤为重要。该中型纯电动车的整车参数及其性能要求，如表1所示。

表1 某款中型客车设计需求指标

2 系统设计与参数匹配

2.1 动力系统设计

目前国内公交客车测试工况为中国典型城市公交工况（CCBC）。该测试工况反映了全国大部分城市的公交运行工况，具有广泛的代表性。图1为该工况的曲线图。

图1 CCBC工况

基于上述工况的平均车速均在20 km/h附近，平均车速较低；同时为满足较高的动力性指标要求，故本次采用主驱动电机＋变速器的方案。不仅可以调整电机的工作点至高效区，同时也可以提供较强的驱动力，满足爬坡要求。系统的具体的构型图如图2所示。

2.2 参数匹配设计

在纯电动客车动力系统参数匹配的过程中，要求匹配结果能同时满足车辆的动力性和经济性要求。这样才能保证实车运行的过程中的动力性能，同时也能做到降低生产和运营成本。本项目中的纯电动客车动力系统参数匹配的内容主要包括：电机系统、电池系统及AMT变速器的参数匹配。

图2 基于AMT纯电动动力系统

根据本项目设计需求，其为满足整车动力性能指标，对动力系统的需求如表2所示。

表2 满足动力性指标对动力系统的需求

（1）电机参数匹配

驱动电机作为纯电动客车唯一的驱动装置，为系统中最核心的部分，电机性能的优劣将直接影响到整车的动力性能和经济性能。驱动电机的选择不仅能满足纯电动客车的使用性能，而且还会减少其制造成本，将有利于纯电动客车的推广应用。

驱动电机的参数匹配主要参考整车爬坡度以及最高车速需求。根据15 km/h车速10%持续爬坡，因此驱动电机的额定扭矩应在300 N·m附近，额定转速应在2000 r/min附近；根据20 km/h车速14%持续爬坡，因此驱动电机的峰值扭矩应不小于550 N·m；根据最高车速的需求峰值转速应不低于2500 r/min。

（2）电池参数匹配

动力电池是纯电动汽车唯一的能量源，同时也是整车成本较高的一个关键部件。车用动力电池应具有高能量密度、充放电速度快、循环寿命长、安全性能好、良好的性价比以及免维护的优点，而且能够大倍率放电，能够满足不同行驶工况的需求，本次确定该纯电动客车使用磷酸铁锂电池作为其动力源。

电池的匹配内容主要包括额定电压、额定容量的匹配。由于纯电动客车上不可避免使用多种电气附件，如电动空调、照明设备等，所以动力电池组的额定电压要略高于电机的额定电压。故动力电池电压平台选择530 V高压平台，电池放电深度为85%。按照150 km续航里程、0.55 kWh/km的要求，需要装载100 kWh的电量。

（3）变速器参数匹配

纯电动汽车的传动系统一般分为固定档传动和多档位传动。其中，多档位传动比固定档传动具有更好的动力性，加速性能要明显好过固定档传动，电机的高效区主要分布在额定转速点附近。同时，采用多档位传动可以使电机更多的工作在高效区，可以降低整车单位里程所消耗能量。另外，采用多档位传动可以降低对驱动电机性能的要求，利于降低整车成本。由于该客车质量比较大，为满足整车的动力性和经济性要求，决定采用多档位传动系统。

在电机输出特性一定时，电动汽车传动比的选择取决于整车动力性能指标的要求，即应该满足汽车最高车速、爬坡性能以及加速性能的要求。根据整车需求指标要求，本项目选用某款四挡AMT变速器，其速比分别为4/2.6/1.7/1，最大输入扭矩600 N·m，最高输入转速3000 r/min。

综上，基于上述各主要部件参数分析，因此本项目所述的基于AMT纯电动动力系统的参数匹配结果如表3所示。

表3 AMT纯电动动力总成参数匹配设计

3 仿真分析

在确定整车及其部件参数以后，需要对匹配结果进行初步的验证和分析，AVL_CRUISE广泛应用于汽车性能仿真计算，其模块化建模思想为搭建整车模型提供了方便。

3.1 模型搭建

为验证本项目电动客车动力系统参数匹配的正确性与合理性。本次利用AVL_CRUISE软件搭建整车动力学模型，进行仿真分析验证，搭建的电动客车动力学仿真模型如图3所示。整车动力学仿真模型包括驱动电机、动力电池、减速器、车轮等模块。

3.2 动力性指标验证

（1）10%持续爬坡工况

在10%持续爬坡工况下运行，如图4所示，可以满足15 km/h爬坡车速要求。

（2）20%最大爬坡工况

在20%最大爬坡工况下运行，如图5所示可以满足15 km/h爬坡车速要求。

（3）全加速工况

从图6可以看出，整车满足69 km/h最高车速需求，0～50 km/h加速时间16.5 s，满足整车加速性能要求。

图3 AMT纯电动整车仿真模型

图4 10%持续爬坡工况跟随情况

图5 20%最大爬坡工况跟随情况

图6 全加速工况跟随情况

3.3 经济性分析

图7是CCBC工况下的车速跟随情况，满足工况测试标准。

从图8可以看出，CCBC工况下的百公里电耗为52 kWh，满足设计需求。

从结果可以看出，汽车的实际车速能够很好的吻合目标车速，由爬坡性能仿真分析可得，客车动力系统能够满足爬坡性能的要求。

图7 CCBC工况跟随情况

图8 CCBC工况下的经济性仿真结果

4 试验验证

动力总成试验台架如图9所示。其中，飞轮可以模拟如本文所述的8米车的转动惯量，测功机模拟道路阻力，电机＋AMT变速箱动力总成提供动力输出。

在实际的测试过程中，可以通过中控操作台的油门踏板和制动踏板进行工况模拟，测试整车性能。

图10为0～50 km/h加速性能的台架测试，从图形可以看出0～50 km/h加速时间18.5 s满足整车设计需求。

图11为CCBC工况测试，从图形中可以看出，整个过程满足国标测试需求。

图12为CCBC工况测试过程中动力电池SOC、电流与功率的变化，由数据计算得电耗为0.55 kWh/km，满足设计需求指标。

图9 AMT动力总成实验台架

图10 0～50 km/h全加速工况实验

图11 CCBC工况实验

图12 CCBC工况实验数据分析

5 结论

本文在深入分析纯电动客车动力性能的基础上，详细分析了为达到整车目标性能参数，所需选用电动机、动力电池以及变速器的参数，并验证了所匹配传动系统参数的正确性，为纯电动客车动力总成系统的设计选型提供依据。目前，通过以上参数匹配所选择的驱动电机、动力电池、变速器均已在某中型纯电动客车上应用，验证了项目中匹配方案的可行性。

[1]王燕燕. 纯电动客车动力系统参数匹配及性能分析[J]. 汽车电器，2011（10）：31-33.

[2]李夏輔. 纯电动汽车动力系统参数优化方法仿真研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2013.

[3]蒋亚东. 基于AMT的纯电动客车动力系统参数匹配[D]. 重庆：重庆理工大学，2015.

[4]刘志. 基于AMT的电动汽车动力特性研究[D]. 重庆：重庆理工大学，2015.

The Design of Pure Electric Vehicle Powertrain Based on AMT

ZHANG Yong1，ZHAO Xueke2，LIU Jianxin3

( 1.Chongqing Machinery & Electronic Equipment Technology Research Academy,Chongqing 401123,China; 2.Chongqing College of Electronic Engineering, Chongqing 401331, China; 3.Chongqing Restart Power Technology Co.,Ltd., Chongqing 401123, China)

This article takes medium-sized pure electric Vehicle as the research object, and studies the key technologies of powertrain matching, including the matching design and selection of drive motors, power batteries, and transmission parameters. The AVL cruise software is used to build the dynamic model of the vehicle and the power system simulation test is conducted to verify the accuracy of the simulation model establishment and the rationality of the dynamic system parameter matching. At the same time, a powertrain test bench was constructed to perform dynamic and economical tests on the matched system and compare it with simulation results. It provides the basis for the design and selection of the power electric bus powertrain system.

automobile driveline；electric bus；AVL cruise；simulation analysis

U271

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.06.010

1006－0316 (2018) 06－0056－05

2017－09－27

张勇（1980－），男，重庆人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为汽车传动系统。