基于工況純電動公路車動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

魯飛 陳超杰 夏侃侃

摘要：為了滿足純電動公路車的正常使用，根據(jù)純電動公路車行駛工況有針對性的設(shè)計(jì)驅(qū)動電機(jī)的功各項(xiàng)參數(shù)，并且根據(jù)公路車的特殊使用工況，將驅(qū)動電機(jī)的效率區(qū)間、整機(jī)散熱結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行損耗進(jìn)行合理化優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)可以滿足純電動公路車使用要求的驅(qū)動系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：純電動公路車 ?工況 ?驅(qū)動電機(jī) ?效率區(qū)間 ?散熱結(jié)構(gòu) ?運(yùn)行損耗

一、前言

國家率先發(fā)布了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035）》推動公共領(lǐng)域用車的電動化。目前國內(nèi)市場的公交車電動化占有率已超過80%，新能源公交車的技術(shù)狀態(tài)十分的穩(wěn)定。但是純電動公路車由于受到高鐵、里程等因素的影響，電動化發(fā)展較為緩慢。公路版的新能源客車的技術(shù)狀態(tài)還是處于不斷摸索和優(yōu)化的狀態(tài)。本文將根據(jù)純電動公路客車的使用工況，有針對性的設(shè)計(jì)適合純電動公路車使用的驅(qū)動系統(tǒng)并且根據(jù)公路客車的使用工況進(jìn)行優(yōu)化，使得純電動公路車驅(qū)動系統(tǒng)滿足純電動公路車城市與城市之間、城市內(nèi)部之間的運(yùn)行要求[1]。

二、驅(qū)動系統(tǒng)匹配

2.1運(yùn)行工況分析

2019年發(fā)布的GB38146.2-2019《中國汽車行駛工況第2部分：重型商用車輛》標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容明確了中國城市客車行駛工況（CHTC-B）和中國普通客車行駛工況（CHTC-C）的詳細(xì)工況數(shù)據(jù)，從工況數(shù)據(jù)中，可以看出：中國普通客車行駛工況（CHTC-C）相比中國城市客車行駛工況（CHTC-B）增加了490s的時(shí)長，主要增加的部分是高速運(yùn)行工況。因此，可以看出CHTC-C工況相比CHTC-B工況要復(fù)雜且環(huán)境要惡劣許多。在設(shè)計(jì)中國普通客車行駛工況（CHTC-C）的驅(qū)動系統(tǒng)時(shí)需要更加關(guān)注持續(xù)高速工況下的能力[2-3]。

2.2驅(qū)動電機(jī)參數(shù)匹配

驅(qū)動系統(tǒng)核心部件就是驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)的性能決定著這臺車絕大部分動力性以及安全可靠性。在設(shè)計(jì)純電動公路車時(shí)需要根據(jù)中國普通客車行駛工況（CHTC-C）有針對性的進(jìn)行設(shè)計(jì)。驅(qū)動電機(jī)設(shè)計(jì)主要參數(shù)主要包括額定功率和峰值功率，額定扭矩和峰值扭矩，額定轉(zhuǎn)速和峰值轉(zhuǎn)速[4]。

（1）額定功率是按照持續(xù)最高車速100km/h進(jìn)行計(jì)算。

（2）峰值功率是按照最高車速Pmax1、最大加速度Pmax2和最大爬坡Pmax3取最大值確定的。

（3）根據(jù)發(fā)電式以及參考文獻(xiàn)[5]，確定驅(qū)動的最大轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。

（4）驅(qū)動電機(jī)的額定扭矩為：

（5）驅(qū)動電動的峰值扭矩為：

式中，為最高車速;為系統(tǒng)傳遞效率;為滾動阻力系數(shù);為風(fēng)阻系數(shù);為迎風(fēng)面積;為車輛最大總質(zhì)量;為加速時(shí)間;旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);為加速末速度;為爬坡速度;為最大爬坡度。

經(jīng)過計(jì)算，驅(qū)動電機(jī)的各項(xiàng)基本參數(shù)如下表1所示：

三、驅(qū)動電機(jī)性能提升

3.1提高驅(qū)動電機(jī)高速區(qū)功率

根據(jù)純電動公路車長期運(yùn)行在高速公路和部分景區(qū)，驅(qū)動電機(jī)采用“V+一”磁路設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化電磁方案減少漏磁，充分發(fā)揮高速弱磁性能，使得其高轉(zhuǎn)速段峰值功率幾乎無衰減，2500rpm轉(zhuǎn)時(shí)仍可輸出180kW功率，更有利于整車持續(xù)運(yùn)行在高速工況，符合復(fù)雜工況路譜運(yùn)行。

3.2降低額定功率驅(qū)動電機(jī)溫升

為了降低驅(qū)動電機(jī)的持續(xù)高速運(yùn)行的溫度，將機(jī)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成螺旋水道冷卻水路，最大程度上減少了水道內(nèi)水阻，流量由原先的50L/min提高到75L/min以上，水道體積提高到了2.93L，且融合全鋁機(jī)身結(jié)構(gòu)，在降低自重的情況下提高了電機(jī)的散熱能力。同時(shí)，優(yōu)化電機(jī)定子嵌線工藝，降低電機(jī)端部高度約10mm，降低電機(jī)直流電阻，從而在電流不變化的情況下降低電機(jī)的銅耗，進(jìn)而降低電機(jī)在額定功率下的損耗，另外，螺旋冷卻水路因管道特殊性，在電機(jī)溫降方面也有突出表現(xiàn)。數(shù)據(jù)顯示，相比改進(jìn)前溫降提升30%以上。

3.3驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行了防泥沙抗凝露設(shè)計(jì)

（1）使用的透氣閥在7kPa壓強(qiáng)條件下的透氣量可達(dá)到2.8L/min以上，有效增大了電機(jī)內(nèi)腔暖流和電機(jī)外界冷流之間的滲透速率，可防止電機(jī)內(nèi)部水汽凝結(jié)在接線座和旋變處形成冷凝水，真正意義上起到抗凝露作用;

（2）電機(jī)出軸端通過設(shè)計(jì)防護(hù)罩結(jié)構(gòu)加強(qiáng)防護(hù)，在聯(lián)軸器外圓表面設(shè)置擋水環(huán)，擋水環(huán)軸向上與聯(lián)軸器內(nèi)套的上端面齊平，徑向上與聯(lián)軸器內(nèi)套外圓之間僅1mm縫隙，整個(gè)防護(hù)罩固定在前端蓋上，擋水環(huán)的作用則為切斷了電機(jī)外部泥沙、水流進(jìn)入油封室的路徑，有效保護(hù)了電機(jī)油封不被受損，進(jìn)而阻止了泥沙、水流進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部。電機(jī)本體所有其他如蓋板內(nèi)的密封件，均通過密封墊、密封圈、密封膠予以達(dá)到完全密封效果，電機(jī)本體達(dá)到IP69最高防護(hù)等級。

四、總結(jié)

1、根據(jù)純電動公路車的行駛工況，有針對性的設(shè)計(jì)出驅(qū)動電機(jī)可以滿足高速以及景區(qū)場景的運(yùn)行。其中確定的驅(qū)動電機(jī)額定功率為120kW、峰值功率245kW、額定轉(zhuǎn)速1500r/min、峰值轉(zhuǎn)速3000r/min、額定扭矩760Nm、峰值扭矩2800Nm。

2、通過提高驅(qū)動電機(jī)高速區(qū)功率、降低額定功率驅(qū)動電機(jī)溫升和提高驅(qū)動電機(jī)防護(hù)等級等措施提高驅(qū)動電機(jī)的可靠性，降低驅(qū)動電機(jī)的故障率。

參考文獻(xiàn)

[1]李耀華，李忠玉，茍琦智等.基于聚類分析的城市公交線路工況構(gòu)建[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2019，38（1）：83-88.

[2]張德平.某款純電動客車驅(qū)動電機(jī)設(shè)計(jì)及仿真分析[J].客車技術(shù)與研究，2017，39（ 6）：9-12.