電驅(qū)裝置作為電動(dòng)汽車(chē)的核心部件，其性能的優(yōu)劣決定了電動(dòng)汽車(chē)整體的工作性能。因此，提高電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)模塊的技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展具有重要意義。國(guó)內(nèi)某車(chē)橋企業(yè)開(kāi)發(fā)出了同軸集成電驅(qū)橋，不僅省略了傳動(dòng)系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)，同時(shí)將電機(jī)殼體與橋殼高度集成，在輕量化、傳動(dòng)效率和節(jié)約布置空間方面有一定優(yōu)勢(shì)。因此本文根據(jù)該電驅(qū)橋特點(diǎn)進(jìn)行其整車(chē)應(yīng)用匹配設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

1 整車(chē)應(yīng)用匹配設(shè)計(jì)

根據(jù)該車(chē)橋額定載荷等參數(shù)，選擇在8.5 m純電動(dòng)城市客車(chē)車(chē)型上進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。該集成電驅(qū)橋的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主減采用行星齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)置在電機(jī)右側(cè)，同時(shí)在制動(dòng)器兩側(cè)設(shè)置輪邊減速器，傳動(dòng)比固定無(wú)法調(diào)整。為適應(yīng)整車(chē)性能需求只能調(diào)整電機(jī)性能參數(shù)，傳統(tǒng)的前向整車(chē)匹配設(shè)計(jì)方法已不能滿足需求(但相關(guān)計(jì)算公式一樣)，因此采用根據(jù)整車(chē)性能需求確定電機(jī)參數(shù)范圍，然后在范圍內(nèi)選擇合適電機(jī)的后向整車(chē)匹配設(shè)計(jì)方法。該車(chē)主要?jiǎng)恿π阅苤笜?biāo)如下：最高車(chē)速69 km/h；15%坡度從0 km/h加速至10 km/h，加速時(shí)間不大于20 s；10%坡度從0 km/h加速至20 km/h，加速時(shí)間不大于20 s；0～50 km/h平直路面，加速時(shí)間低于18 s[1]。

1-電機(jī)； 2-主減及差速器； 3-輪邊減速器

圖1 同軸式集成電驅(qū)橋結(jié)構(gòu)示意圖

匹配驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)需確定以下幾個(gè)參數(shù)范圍：電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nmax、峰值功率Pmax、額定功率Pe、峰值轉(zhuǎn)矩[2]Tmax、額定轉(zhuǎn)矩Te、額定轉(zhuǎn)速ne及外特性拐點(diǎn)。

1.1 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速

驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速取決于整車(chē)最高車(chē)速，并受主減速比和車(chē)輪半徑的影響，如式(1)所示[3]：

nmax=Vmaxi0/0.377/r=8 071.7 r/min

(1)

在滿足最高轉(zhuǎn)速8 071.7 r/min的條件下，所匹配驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速還需預(yù)留200～300 r/min的裕量，故驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速不小于8 300 r/min。

1.2 電機(jī)峰值功率與額定功率

驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率通常需滿足以下要求：

1) 設(shè)定坡道上從起步加速至要求車(chē)速時(shí)的功率為Pmax1[4]：

Pmax1=FtV=(Ff+Fi+Fw+Fj)V

(2)

式中：Ft為車(chē)輛行駛時(shí)總阻力；Ff為車(chē)輛行駛時(shí)滾動(dòng)阻力；Fi為車(chē)輛上坡時(shí)坡道阻力；Fw為車(chē)輛行駛時(shí)風(fēng)阻；Fj為車(chē)輛加速時(shí)加速阻力。

式(2)中速度V的擬合公式見(jiàn)式(3)[5]:

V=V1(t/tm)1/2

(3)

式中：V1為需求目標(biāo)車(chē)速；tm為從起步到目標(biāo)車(chē)速的時(shí)間；t為加速時(shí)間。

代入對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，得出滿足15%坡度上起步加速到10 km/h、加速時(shí)間不大于20 s要求時(shí)所需的功率Pmax11為72.33 kW；滿足10%坡度上加速到20 km/h加速時(shí)間不大于20 s要求時(shí)所需的功率Pmax 12為98.5 kW。

2) 平直路面上規(guī)定時(shí)間內(nèi)加速至規(guī)定車(chē)速時(shí)的功率Pmax2：

Pmax2=FtV=(Ff+Fw+Fj)V

(4)

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得出滿足0～50 km/h加速時(shí)間低于18 s要求時(shí)所需的功率Pmax2為108.6 kW。

3) 電機(jī)峰值功率選擇見(jiàn)式(5)[6]：

Pmax≥{Pmax11,Pmax12,Pmax2}≥108.6 kW

(5)

預(yù)留10%的裕量并圓整，則峰值功率不低于120 kW。

4) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定工況需滿足整車(chē)在正常運(yùn)行工況下長(zhǎng)時(shí)間工作，即整車(chē)在平直路面，零至最高車(chē)速中的任何一個(gè)車(chē)速下勻速行駛的需求功率都需要在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率曲線之下。采用式(6)計(jì)算所需電機(jī)最小額定功率Pe：

/3.62)/η/3 600=44.53 kW

(6)

式中：Cd為風(fēng)阻系數(shù)，取值0.6；S為迎風(fēng)面積，取值5.8 m2；ρ為空氣密度，取值1.23 kg/m3；η是傳動(dòng)系效率，取值0.95。

由于峰值功率不低于120 kW，考慮電機(jī)功率過(guò)載系數(shù)為2～3倍[7]，初定系數(shù)為2倍，則額定功率不低于60 kW。

1.3 電機(jī)峰值扭矩、額定扭矩及額定轉(zhuǎn)速

驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩需滿足整車(chē)兩方面的需求：

1) 滿足整車(chē)坡道起步的最大爬坡度15%，對(duì)應(yīng)的角度α=8.54°。按國(guó)標(biāo)1 min內(nèi)能行駛10 m的要求[8]，時(shí)速較低，故此工況下可以不考慮風(fēng)阻和加速阻力，所需電機(jī)扭矩Tmax1：

Tmax1=[m·g·f·cos(α)+m·g·sin(α)]·
r/i0/η=536.66 N·m

(7)

2) 滿足坡道上規(guī)定時(shí)間內(nèi)起步加速至一定車(chē)速的需求，此時(shí)整車(chē)克服阻力包括滾阻、坡阻、風(fēng)阻及加速阻力，所需電機(jī)扭矩Tmax2：

Tmax2=[Mgf·cos(α0)+Mg·sin(α0)+0.5Cd·S·ρ·

(8)

根據(jù)式(8)，在15%(對(duì)應(yīng)角度α0=8.54°)的坡度上20 s內(nèi)起步加速至10 km/h并勻速行駛所需扭矩Tmax21為590.46 N·m；車(chē)輛滿載下在8%(對(duì)應(yīng)角度α0=4.58°)的坡度上20 s內(nèi)從0加速至20 km/h并勻速行駛所需扭矩Tmax22為401.99 N·m。

綜合Tmax1、Tmax21、Tmax22的計(jì)算結(jié)果，并預(yù)留10%的裕量后圓整，則峰值轉(zhuǎn)矩為650 N·m。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩需考慮過(guò)載系數(shù)，通常商用車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為滿足滿載爬坡需求，過(guò)載能力須達(dá)到2～3倍，則額定扭矩應(yīng)處于區(qū)間[650/3,650/2] N·m。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速ne:

ne=Vn·i0/0.377/r

(9)

8.5 m城市客車(chē)的常用車(chē)速Vn為20～30 km/h，代入式(9)可得：車(chē)速20 km/h時(shí)的轉(zhuǎn)速ne1為2 339.6 r/min，車(chē)速30 km/h時(shí)的轉(zhuǎn)速ne2為3 509.4 r/min。

因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速范圍為2 340～3 510 r/min，額定轉(zhuǎn)矩范圍為216.7～325 N·m。

1.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性拐點(diǎn)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性曲線需包絡(luò)整車(chē)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)爬坡起步加速至規(guī)定車(chē)速的需求工作點(diǎn)。該工作點(diǎn)的峰值扭矩和峰值功率是車(chē)輛動(dòng)力性需求范圍的邊界值，此點(diǎn)后電機(jī)外特性值(扭矩和功率)開(kāi)始逐步減小，故該工作點(diǎn)被稱(chēng)為外特性曲線拐點(diǎn)。根據(jù)上述峰值轉(zhuǎn)矩和峰值功率的計(jì)算可知，在爬坡要求中有兩個(gè)車(chē)速(10 km/h、20 km/h)需求，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式見(jiàn)式(10)、(11)。

1) 車(chē)速需求為10 km/h時(shí)：

(10)

2) 車(chē)速需求為20 km/h時(shí)：

(11)

因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性曲線的兩個(gè)拐點(diǎn)分別為(1 169.8 r/min，590.46 N·m，72.3 kW)、(2 339.6 r/min，401.99 N·m，98.48 kW)。

1.5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型參數(shù)

綜合以上計(jì)算，所匹配的驅(qū)動(dòng)電機(jī)各參數(shù)需滿足表1，且其外特性曲線需包絡(luò)兩個(gè)計(jì)算拐點(diǎn)。

表1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配結(jié)果

2 匹配集成電驅(qū)橋的整車(chē)性能測(cè)試

為驗(yàn)證匹配設(shè)計(jì)的效果，選擇一輛中央分布驅(qū)動(dòng)式8.5 m 純電動(dòng)城市客車(chē)試裝集成電驅(qū)橋，改裝前后的電機(jī)主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 改裝前后主要性能參數(shù)對(duì)比

2.1 試驗(yàn)方案

改裝前后車(chē)輛都按照GB/T 18385—2005[8]要求加載和試驗(yàn)。試驗(yàn)工況根據(jù)中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況CCBC[9]和中國(guó)城市客車(chē)行駛工況CHTC-B[10]分別進(jìn)行。經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)路線選擇在蘇州市內(nèi)開(kāi)放試驗(yàn)道路陽(yáng)澄環(huán)路和水澤路進(jìn)行，試驗(yàn)路程全長(zhǎng)6.1 km，以平直瀝青路面為主，僅有一座坡度不足5%的橋梁；動(dòng)力性能測(cè)試在公司內(nèi)試車(chē)跑道行駛，跑道有10%、15%和20%三種坡道。經(jīng)濟(jì)性能(電耗)和動(dòng)力性能分別測(cè)試12～16 個(gè)循環(huán)，耗電量采用BMS和電機(jī)控制器中的電壓和電流報(bào)文積分計(jì)算；行駛里程按照儀表中車(chē)速和時(shí)間報(bào)文積分計(jì)算。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可知，8.5 m純電城市客車(chē)車(chē)型匹配該同軸集成電驅(qū)橋，在制造成本基本不變的條件下，有以下幾方面變化：

1) 整車(chē)減重效果明顯，改裝后整車(chē)整備質(zhì)量下降245 kg。

2) 整車(chē)驅(qū)動(dòng)效率上升，85%以下的低效區(qū)減少10%，91%以上的高效區(qū)增加7%，如圖2所示。

(a) 改裝前驅(qū)動(dòng)云點(diǎn)圖

(b) 改裝后驅(qū)動(dòng)云點(diǎn)圖

圖2 改裝前后驅(qū)動(dòng)云點(diǎn)圖對(duì)比

3) 回饋效率提升，85%以下的低效區(qū)減少22%，91%以上的高效區(qū)增加19%，具體變化見(jiàn)表3。

表3 改裝前后回饋效率分布對(duì)比

4) 整車(chē)百公里綜合能耗降低7.3%。

5) 采用集成電驅(qū)橋后能節(jié)約后部電機(jī)及傳動(dòng)軸布置空間約0.35 m3，同時(shí)使縮短后懸、加大軸距平地板區(qū)域長(zhǎng)度成為可能。

6) 采用集成電驅(qū)橋后，由于電機(jī)殼體同時(shí)作為車(chē)橋殼體承受整車(chē)載荷，對(duì)電機(jī)殼體強(qiáng)度和剛性要求提升較多，電驅(qū)動(dòng)橋的制造難度、成本和客戶使用維護(hù)成本相應(yīng)提高，這是集成化中需要攻克的難題之一。

3 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)化和集成化已經(jīng)成為客車(chē)尤其是城市客車(chē)的重要發(fā)展趨勢(shì)。集成電驅(qū)橋的使用不僅在減輕整車(chē)質(zhì)量、提高傳動(dòng)效率(即降低能耗)方面表現(xiàn)優(yōu)異，而且還節(jié)約了整車(chē)的布置空間。隨著技術(shù)的日益完善，相信會(huì)有更多的廠家在更多的車(chē)型上推廣使用。