純電動客車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配及性能分析

王燕燕

（青島海霸能源集團有限公司，山東 青島 266400）

汽車動力系統(tǒng)是汽車的核心組成部分，對純電動客車來說又顯得尤為重要。本文在分析市場上現(xiàn)有純電動客車相關(guān)性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合山東省青島市公路實際狀況，對青島海霸能源集團有限公司正在開發(fā)的編號為QHP6122BEV的12 m純電動公交車提出合理的整車基本參數(shù)與性能目標(biāo)參數(shù)，并根據(jù)汽車理論的相關(guān)知識，對電動機、動力電池的初步選型及傳動系統(tǒng)的參數(shù)匹配進行了合理的計算。

1 整車基本參數(shù)

整車基本參數(shù)見表1。參考目前市場上同類電動客車技術(shù)參數(shù)，本文提出了純電動公交車的目標(biāo)性能指標(biāo)，見表2。

2 電動機參數(shù)匹配

純電動汽車的功率全部由電動機來提供，所以電動機功率的選擇必須滿足汽車的最高車速、最大爬坡度以及加速時間的要求。進行電動機功率確定時，假設(shè)沒有變速器，即電動機直接與主減速器相連接。

表1 整車基本參數(shù)

表2 純電動公交車的目標(biāo)性能指標(biāo)

2.1 電動機峰值功率及額定功率的匹配

1）通常以保證汽車預(yù)期的最高車速來初步選擇電動機的額定功率

式中:PN——電動機額定功率，kW；ηT——傳動系統(tǒng)效率；m——車重 （按國標(biāo)要求取相應(yīng)數(shù)值），kg；f——滾動阻力系數(shù)；Cd——風(fēng)阻系數(shù)；A——車輛迎風(fēng)面積；vmax——最高車速，km／h。

根據(jù)GB／T 18385—2005、 GB／T 18386—2005可得，此處m=15650kg，計算得PN=103kW。

2）汽車在爬坡的工況下，要求的瞬時功率，即電動機的峰值功率

式中:最大爬坡角αmax=arctan

計算得:在20 km／h的爬坡速度下需195 kW的功率。

3）給定全力加速時間要求下的車輛需求功率

假設(shè)車輛在平直路面上加速，車輛加速過程動力學(xué)方程為

式中:δ——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)

經(jīng)驗公式為: δ=1.027+0.0003×ig2×i02， 即δ取值為1.04。

式中:Iw——車輪轉(zhuǎn)動慣量；If——電動機輸出軸和傳動軸的轉(zhuǎn)動慣量；i——電動機到車輪的傳動比。

式 （3）經(jīng)過變形為

經(jīng)過以上計算可得，欲使0—50 km／h加速時間≤25s，則需電動機功率為51kW。

2.2 電動機額定轉(zhuǎn)速及最高轉(zhuǎn)速的選擇

電動機的額定轉(zhuǎn)速由常規(guī)車速確定，即

式中:ne——電動機額定轉(zhuǎn)速，r／min；io——主減速比；ig——變速器傳動比；ve——常規(guī)車速，km／h（此處取常規(guī)車速為40 km／h）；r——車輪半徑，m。

由于純電動車無變速器，此處假設(shè)ig=1，計算得: 在40km／h速度下的額定轉(zhuǎn)速為1250r／min。

根據(jù)經(jīng)驗，電動機的最高轉(zhuǎn)速應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速的2～4倍。所以，電動機的最高轉(zhuǎn)速為2500r／min（此處取2）。

2.3 電動機的額定轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩

1）電動機的額定轉(zhuǎn)矩由額定功率／額定轉(zhuǎn)速確定，即

式中:Me——額定轉(zhuǎn)矩，Nm。

計算可得，額定轉(zhuǎn)矩為787Nm。

2）電動機的最大轉(zhuǎn)矩由最大爬坡度確定，即

式中:M——最大轉(zhuǎn)矩，Nm。

計算可得，最大轉(zhuǎn)矩為2986Nm。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算結(jié)果的匯總見表3。

表3 數(shù)據(jù)計算結(jié)果匯總

根據(jù)以上分析可得電動機基本參數(shù)如下:額定轉(zhuǎn)速為1250 r／min， 峰值轉(zhuǎn)速為2500 r／min； 額定轉(zhuǎn)矩為787 Nm，峰值轉(zhuǎn)矩為2986 Nm；額定功率為103kW，峰值功率為195kW。

說明:電動機性能分為連續(xù)工作性能和短時工作性能，其連續(xù)工作特性曲線由電動機的額定值來確定，短時工作特性曲線是電動機過載一定倍數(shù)之后的轉(zhuǎn)矩功率特性曲線。對短時工作特性曲線要控制電動機轉(zhuǎn)速在625r／min時，轉(zhuǎn)矩要達到2986Nm。

2.4 電動機的參數(shù)選擇與傳動系統(tǒng)的合理匹配

根據(jù)市場上現(xiàn)有電動機的情況合理選擇電動機的參數(shù)，并進行傳動系統(tǒng)的合理匹配。本文選擇的交流異步電動機 （JD147A）的參數(shù)見表4。

表4 交流異步電動機 （JD147A）的參數(shù)

由以上參數(shù)可知，電動機的額定功率比實際所需額定功率偏低，則整車的最高車速將有所降低，且電動機的峰值轉(zhuǎn)矩比實際所需轉(zhuǎn)矩偏低。

綜合以上參數(shù)特征，考慮增加固定速比的減速器以提高整車速度和電動機的轉(zhuǎn)矩，以此來彌補電動機的不足。經(jīng)綜合考慮后本文增加了1.9固定速比的減速器。增加減速器的整車性能參數(shù)見表5，可滿足使用要求。

表5 增加減速器的性能參數(shù)

3 動力電池的參數(shù)匹配

動力電池系統(tǒng)是整車的能量源，為整車提供驅(qū)動電能。電池系統(tǒng)的體積、形狀和技術(shù)參數(shù)影響電動汽車的行駛性能，是電動汽車最重要的子系統(tǒng)之一。電動汽車動力電池系統(tǒng)的參數(shù)匹配主要包括電池類型的選擇、電池組電壓和能量的選擇。

3.1 動力電池類型的選擇

對動力電池來說，目前日韓企業(yè)傾向于使用錳酸鋰電池，而美國和我國企業(yè)則傾向于使用磷酸鐵鋰動力電池。磷酸鐵鋰動力電池以其循環(huán)壽命長、能量密度高、安全環(huán)保的優(yōu)良性能得到我國各大客車生產(chǎn)廠家的廣泛認可，技術(shù)上也獲得較大的發(fā)展，被認為是新一代電動汽車理想的動力源。本文以青島海霸能源集團自主研發(fā)的磷酸鐵鋰動力電池作為整車的動力源。

3.2 電池組電壓的選擇

在匹配動力電池組電壓時，要求動力電池組的電壓等級與驅(qū)動電動機的電壓等級相一致。根據(jù)電動機的電壓，確定動力電池單體串聯(lián)的節(jié)數(shù)。

所選JD147A電動機的額定電壓為384 VDC，磷酸鐵鋰動力電池的單體電壓為3 V，則需128個單體磷酸鐵鋰動力電池串聯(lián)。

3.3 電池組能量的確定

電動汽車行駛里程S（km）所需的能量，可通過下式計算 （假定汽車以40km／h的速度行駛）

式中:P——汽車以純電動驅(qū)動所需的功率，kW；W——車輛行駛里程S（km）所需的能量，kWh。

計算可得:P為36kW；W為135kWh。

串聯(lián)電池組的能量為W=200 Ah×384 V=76800 Wh=76.8kWh，則所需電池組并聯(lián)數(shù)為2。

綜上所述，欲使續(xù)駛里程達到150 km（若想要增加續(xù)駛里程，則可增加電池容量），所需電池參數(shù)見表6。

表6 所需電池參數(shù)

4 電動汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)確定原則

電動汽車的傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計主要包括變速器的匹配設(shè)計和主減速器的匹配設(shè)計。在電動機輸出特性一定時，傳動系傳動比的選擇主要取決于電動汽車的動力性要求，即最大傳動比取決于整車的最大爬坡度，最小傳動比取決于整車的最高車速。

4.1 傳動系最小傳動比的選擇

傳動系最小傳動比imin是變速器最高檔速比igmax與主減速器速比io的乘積，由電動機的最高轉(zhuǎn)速和車輛最高車速決定。車速與電動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系為vmax=，電動機最高轉(zhuǎn)速為4500r／min，計算可知，變速器最小傳動比應(yīng)滿足以下條件:imin≤11.58， 由于主減速器速比io取值為5.63， 則igmax≤ 2。

4.2 傳動系最大傳動比的選擇

傳動系最大傳動比imax是變速器最低檔速比ig1與主減速器速比io的乘積，由電動機的峰值轉(zhuǎn)矩和車輛最大爬坡度決定

電動機最高轉(zhuǎn)矩為1600 Nm，計算可知，變速器的最大傳動比應(yīng)滿足以下條件:ig1≥1.5。變速器傳動比取值較大時，可以減小對電動機的最大轉(zhuǎn)矩需求，有利于減小過載，延長電動機壽命。

綜上所述，若選用JD147A電動機，減速器速比選擇1.9， 后橋速比選擇5.63是合理的。

5 結(jié)束語

本文在深入分析純電動客車動力性能的基礎(chǔ)上，以青島海霸能源集團有限公司正在研發(fā)的編號為QHP6122BEV的12 m純電動公交車為實例，詳細分析計算了為達到整車目標(biāo)性能參數(shù)，所需選用電動機的參數(shù)及動力電池的參數(shù)，并驗證了所匹配傳動系統(tǒng)參數(shù)的正確性。目前，通過以上計算所選擇的電動機、動力電池、減速器速比及驅(qū)動橋主減速器速比均已在海霸能源QHP6122BEV純電動公交車上體現(xiàn)。對QHP6122BEV整車實際性能參數(shù)能否達到目標(biāo)性能參數(shù)，仍須車輛試運行后進一步驗證。

［1］余志生.汽車理論［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1993.

［2］程夕明，孫逢春.電動汽車能量存儲技術(shù)概況［J］.電源技術(shù)， 2001， 25 （1）: 47-52.

附:關(guān)于磷酸鐵鋰電池

1 審稿意見

1）2010年9月16～17日日本福井大學(xué)教授、前克萊斯勒-三菱汽車研發(fā)指導(dǎo)委員會聯(lián)合主席安東宏光接受搜狐汽車專訪時說，比亞迪的技術(shù)是三四十年前的技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)寫到技術(shù)性的教科書上。教科書上已經(jīng)寫的就不是很高的技術(shù)，是相對落后的技術(shù)?？赡芨鱾€市場不一樣，中國市場也許磷酸鐵鋰很適合用，但是在日本不適合用。

2）2010年11月下旬的人民日報文章說，磷酸鐵鋰在世界主流車企動力電池解決方案的比拼中，逐漸顯露敗象。

想知道作者的看法。

（董 輝）

2 作者對審稿者提出的兩條報道的看法

1）對動力電池來說，目前日韓企業(yè)傾向于使用錳酸鋰電池，而美國和我國企業(yè)則傾向于使用磷酸鐵鋰電池。

2）磷酸鐵鋰與錳酸鋰的優(yōu)勢和劣勢比較，見表7。由表7可知磷酸鐵鋰電池和錳酸鋰電池各自存在著優(yōu)勢和劣勢。磷酸鐵鋰憑借循環(huán)壽命長，能量密度高等優(yōu)點成為我國重點研究對象。目前磷酸鐵鋰電池受生產(chǎn)工藝、原材料特性及品質(zhì)的限制，造成單體電池一致性較差、導(dǎo)電率較低、低溫效果差等缺陷，實際應(yīng)用中出現(xiàn)眾多不足。但隨著國家政策的大力扶持及各大廠家的聯(lián)合研究攻關(guān)，磷酸鐵鋰電池的導(dǎo)電率低、生產(chǎn)工藝一致性差的問題，正在逐步得到解決。

表7 磷酸鐵鋰與錳酸鋰的比較

正如安東宏光所說的 “解決安全問題是技術(shù)人員必須面對的，所以他們就放棄使用磷酸鐵鋰電池”一樣，任何國家在研發(fā)一種新型產(chǎn)品時必須面臨外界的影響，必須反復(fù)不斷地實驗，技術(shù)才能不斷地上升。對磷酸鐵鋰電池研發(fā)中出現(xiàn)的眾多問題，我國也應(yīng)有日本人那種鍥而不舍的精神，堅持我國電池研究的方向 （當(dāng)然這種堅持需建立在技術(shù)有可能提升的基礎(chǔ)上，不可盲目堅持），相信經(jīng)過不斷的技術(shù)改進及在實踐中的驗證，磷酸鐵鋰電池一定會不負重望。