某8 m纯电动客车动力传动系统设计方案

罗丙荷

(1.江西凯马百路佳客车有限公司， 南昌 330013； 2.江西省新能源客车工程技术研究中心， 南昌 330013)

动力传动系统是纯电动汽车的关键组成部分，其参数匹配对整车的动力性、经济性和能耗都有很大的影响[1]。本文以某8 m纯电动客车的动力传动系统设计为例，介绍其最大扭矩、最高转速、驱动功率、加速时间、续驶里程的计算及方案的匹配过程。

1 动力系统计算

1.1 车辆主要参数及配置

根据车辆的实际应用需求，参考国家标准[2]，设定该车的主要参数。整车整备质量为7 900 kg，最大总质量为11 500 kg，最高车速为69 km/h，0～50 km/h 加速时间≤20 s，最大爬坡能力≥20%，等速40 km/h续驶里程为250 km，主减速比为5.86，迎风面积为5.78 m2，滚动半径为414 mm，动力电池容量为127.7 kW·h。

本车型传动系统的匹配有两种方案可选：一种为驱动电机直驱；另一种为采用两挡AMT，其中第一挡速比为2.6，第二挡速比为1。

1.2 最大扭矩计算

车辆在行驶过程中的力平衡方程式如下[3]：

Ft=Ff+Fw+Fi+Fj

(1)

式中：Ft为电机的驱动力；Ff为滚动阻力；Fw为空气阻力；Fi为坡道阻力；Fj为加速阻力。单位均为N。

一般情况下，车辆在最大爬坡度下所需要的扭矩是最大的，考虑在最大爬坡度的情况下，几乎没有加速度，此时可忽略加速阻力Fj。本文车辆以15 km/h的速度通过20%坡度。

(2)

式中：Ttq1为驱动电机输出扭矩；ig为传动系统传动比，先考虑电机直驱，取值1；io为主减速器速比，取值5.86；ηT为主减速器的机械传动效率，取值95%；r为车轮滚动半径，取值0.414 m；f为滚动阻力系数，取值0.011；m为满载质量，取值11 500 kg；g为重力加速度；最大爬坡度为20%，即tanα= 0.2；CD为空气阻力系数，取值0.65；A为车辆迎风面积，取值5.78 m2；ua为车辆行驶速度，取值15 km/h。

根据上述参数，得出采用电机直驱方案的计算结果为Ttq1=1 770 N·m。

1.3 最高转速计算

驱动电机转速与车速对应的关系为[6]

ua= 0.377rn/(igio)

(3)

式中：ua为车速，最高车速取值69 km/h;n为电机转速；r、io与1.2节取值相同；无论哪种方案，车辆最高车速时的ig均为1。则最高车速对应的电机最大转速计算结果为n= 2 591 r/min。

1.4 驱动功率计算

汽车在行驶过程有如下功率平衡方程式[7]：

(4)

式中：Pe为驱动电机功率；i为坡度；CD为风阻系数，取值0.65；A为迎风面积，取值5.78 m2；δ为旋转质量系数，取值1；du/dt为行驶加速度。

1) 按最高车速计算驱动功率Pvmax。电机额定功率应当满足最高车速要求，即额定功率应大于等于车辆在无坡度路面上以最高车速匀速行驶时所受到的阻力功率。最高车速行驶时，坡道阻力和加速阻力消耗的功率可忽略，把相关数值代入式(4)，可得最高车速时电机输出的额定功率Pvmax= 42 kW。

2) 按最大爬坡度计算驱动功率Pimax及最大扭矩校核时，最大爬坡度是电机峰值功率必须考虑的因素。按照最大爬坡度计算时，可忽略加速阻力，把相关数值代入式(4)，可得车辆在20%的坡道以15 km/h的车速行驶需要的功率Pimax=104.5 kW。

另外，按照电机扭矩计算公式[8]校核电机最大扭矩：

Ttq2=9 549Pimax/ni

(5)

式中:ni为车速15 km/h时驱动电机转速，根据式(3)计算，结果为563 r/min，将相关数据代入式(5)，可得车辆在20%的坡道以15 km/h的车速行驶需要的电机扭矩Ttq2=1 772.4 N·m。

取式(1)和式(5)计算结果中的大者，驱动电机最大扭矩应大于1 772.4 N·m。

3) 按加速度时间计算驱动功率Pc。

电机的峰值功率还应满足加速性能的要求。

(6)

式中：ta为0～50 km/h加速时间，取值20 s；uf为加速后的终速,取值13.89 m/s；ub为电机基速下车速，设基速为1 020 r/min，对应车速则为7.5 m/s；ρ为空气密度，取值1.202 kg/m3。把相关的数值代入式(6)，可得Pc= 85.5 kW。

1.5 续驶里程估算

按照国家标准[2]规定要求，40 km/h匀速65%载重工况下，由式(4)得到行驶功率P40=16.2 kW，该车型低压负载取值为2 kW。

T= 0.95E/P

(7)

式中：T为40 km/h匀速65%载重工况下，95%电量所能提供的放电时间；P为40 km/h匀速65%载重工况下的电机功率，P=16.2+2=18.2 kW；E为动力电池电量，取值127.7 kW·h；0.95为动力电池可使用的电量比值。把相关数值代入式(7)可得计算结果T=6.67 h，则该工况下续驶里程S=T·V=266.8 km。

1.6 电机外特性参数汇总

综合上述的计算结果，该车型驱动电机的额定功率Pe≥Pvmax=42 kW；峰值功率Pmax应≥max(Pvmax，Pimax，Pc)=Pimax=104.5 kW；最高转速应≥2 591 r/min；最大转矩Ttq应≥1 772.4 N·m。

2 方案匹配

2.1 直驱和AMT方案对比

目前国内纯电动客车传动系统的主流方案有电机直驱和AMT两种。两种方案的优缺点如下：

1) 直驱方案。优点为结构简单，系统可靠，易于布置，驾驶体验好。缺点为相比同等级的AMT方案所配驱动电机的功率和转矩大，成本高，电机控制器容量大且成本高，在复杂工况下系统效率较低。

2) AMT方案。优点为电机功率和转矩需求小，电机控制器容量小，成本低。缺点为系统组成复杂，技术要求高，轴向尺寸较长，不易布置安装，换挡过程中有短暂动力丢失，驾驶体验较差。

2.2 方案匹配

1) 电机直驱方案。因上文的计算结果均为ig取值1所得到。所以直驱方案的匹配结果即为1.6节所述。

2) AMT方案。由于本文所选用的两挡AMT的第二挡速比为1。所以相对于与其相匹配的驱动电机的最高转速可与电机直驱方案相同，因AMT的第一挡速比为2.6，且AMT的传动效率ηT1取值95%，所以与AMT相匹配的驱动电机的最大输出扭矩Ttq=(Ttq2/2.6) /ηT1≥(1 772.4/2.6)/0.95=717.57 N·m即可，选取为850 N·m；与AMT相匹配的驱动电机的峰值功率和额定功率应分别≥104.2/0.95≈110 kW和≥42/0.95≈44.2 kW。本车型所匹配的AMT最大允许输入扭矩1 300 N·m>850 N·m (安全系数1.5左右)，因此所选AMT也满足设计匹配要求。

3 结束语

本文介绍了某8 m纯电车动力传动系统的设计计算，比较了直驱和AMT两种匹配方案，为纯电动客车动力传动系统的匹配设计提供了设计参考。通常情况下，车辆的最大扭矩需求高于1 500 N·m时，AMT模式比直驱模式成本低约5%。