母洋文，刘 平，刘 宇
Mu Yangwen，Liu Ping，Liu Yu
（西南交通大学机械工程学院汽车工程研究所，四川 成都 610031）
纯电动城市客车和传统燃油城市客车的动力传动系统有很大区别。首先，纯电动汽车中电池组的布置更加灵活，电池组可以做成很多块，布置在底盘或车身上的多个位置。其次，电动机可以在相当广的范围内高效地产生转矩，从而大大简化甚至省去了变速器机构。最后，电池的电能主要通过柔性的电线而不是刚性联轴器和转轴传递，因此，纯电动汽车省去了诸多机械装置，各部件的布置具有很大的灵活性[1]。这样，可以通过对各部件的灵活布置来选择电动汽车最佳的质心位置、最合理的轴重分布，从而使电动汽车的操纵稳定性达到最优。
文中采用 Adams/Car软件建立纯电动城市客车多体动力学仿真模型，在不同的动力传动系统布置方案下，依据国家标准的规定，对整车的操纵稳定性进行仿真分析，选择出最优方案。
1 建模所需的整车及部件参数
研究中所使用的车型没有变速器机构，只有位于后桥上的主减速器。因此，所讨论的动力传动系统的主要部件为动力电池组和驱动电动机及其控制器。
1.1 整车参数
该型纯电动城市客车的主要参数见表1。
表1 整车参数
1.2 电池参数
所选用的动力蓄电池种类为锂离子电池，类别为磷酸铁锂，电池的参数见表2。
表2 电池参数
1.3 电动机参数
所选用电动机的参数见表3。
表3 电动机参数
2 布置方案设计
设计动力传动系统布置方案时，应当从整车布置的技术合理性出发，充分考虑其拆装可能性，维修保养时的接近性，并保证部件与部件之间具有足够的静止间隙和运动间隙。遵循合理分配前后轴荷的原则，当前、后轴上的载荷有一个超过60%时，都必须对总布置进行修改和调整[2]。
为了便于描述各部件布置的位置，建立一个整车坐标系，原点o为车辆纵向对称面和地平面的交线与车身前端在地平面上投影线的交点。车辆纵向对称面和地平面的交线取为x轴，规定向后为正向。z轴与地面垂直，规定向上为正向。y轴在地平面上，规定面向前进方向的右方为正向[3]。
2.1 方案 1
受到车前部过道处地板离地高度和过道宽度的限制，在过道下方不布置电池、电动机；同时给后车门留出足够的安装空间，后车门下方也不进行布置。
把单体电池打包成12包，左右对称地布置在车身上。前、后轴之间布置8个电池包，每包有36个单体电池（2并 18串），每个电池包的体积为960×660×300 mm3，质量为230 kg。后轴后面布置4个电池包，每包有18个单体电池（2并9串），电池包的体积为660×660×300 mm3，质量为120 kg。将右侧的电池组编为1～6号。由于后轴是驱动轴，为了便于布置电动机和驱动轴间的传动装置，将电动机置于后轴后方，靠近驱动轴的位置。
方案1中电池、电动机的安装示意如图1。1～6号电池包的质心和电动机的质心位置坐标见表4。
表4 方案1中电池包和电动机的质心位置坐标
续表4
2.2 方案2
采用低地板是未来城市公交的发展趋势，因此，为了降低地板高度，以及更平均地分配前后轴荷，设计出方案2。方案2把单体电池打包成6包，左右对称地布置在车身上，将右侧的电池组编为1～3号，如图2所示。1、3号电池包中，每包有72个单体电池（2并36串），每个电池包的体积为 2000×900×300 mm3，质量为 440 kg；2号电池包有36个单体电池（2并18串），电池包的体积为 600×1000×400 mm3，质量为 230 kg。
电动机的布置位置与方案1相同。1～3号电池包的质心和电动机的质心位置坐标见表5。
表5 方案2中电池包和电动机的质心位置坐标
2.3 方案3
为了充分利用车顶部的空间，在车顶部可利用的空间里布置电池包，从而设计出方案3。将单体电池打包成 8包，左右对称地布置在车身上，并将车身右侧的电池编为1～4号，见图3。1、2、4号电池包中，每包有36个单体电池（2并18串），每个电池包的体积为1360×1100×240 mm3，质量为230 kg。3号电池包有72个单体电池（2并36串），电池包的体积为 1600×1100×400 mm3，质量为435 kg。
电动机的布置位置与方案1相同。1～4号电池包的质心和电动机的质心位置坐标见表6。
表6 方案3中电池包和电动机的质心位置坐标
3 整车仿真模型的建立
整车仿真模型包括前后悬架子系统模型、转向子系统模型、轮胎子系统模型、车身子系统模型、制动子系统模型等。在 Adams/Car中建立方案1～方案3的整车仿真模型见图4～图6。
在软件中测得 3种方案下整车的质心位置和前、后轴荷见表7。
表7 3种方案整车质心位置和前、后轴荷
4 仿真分析
汽车操纵稳定性涉及的问题较为广泛，需要采用较多的物理参量从多方面进行评价。文中只讨论最基本部分：转向盘角阶跃输入下的稳态、瞬态响应与角脉冲输入下的横摆角速度频率特性。
4.1 转向盘角阶跃仿真试验
根据 GB/T 6323.2—94的规定，车辆以 60 km/h的速度直线行驶0.2 s后，用0.5 s的时间使转向盘转动 100°，整个过程中车辆的运动响应见图7～图9：
从图7～图9可以得出：汽车稳态时，方案1（project_001）的横摆角速度和侧向加速度的值最小，稳态响应最好；瞬态过程中，方案 1的反应时间最短，峰值最小，瞬态响应最好。
4.2 转向盘角脉冲试验
根据GB/T 6323.3—94的规定，车辆以60 km/h的速度直线行驶0.2 s后，用0.5 s的时间转动转向盘 150°，并转回原处，然后保持不动。整个过程中车辆的运动响应见图10、图11。
从操纵稳定性出发，要求幅频特性曲线尽量平缓，共振频率尽量高，通频带宽尽量宽，从而保证不同工况下失真度较小，获得满意的操纵性能。因此，从图12中容易看出，方案1的动态特性最好。
5 结 论
在汽车总布置设计思想的指导下，针对纯电动城市客车动力传动系统的布置提出了 3种不同的方案。3种方案都确定了电池组和电动机的布置和位置，并计算了轴荷分配。为了满足操纵稳定性的要求，在Adams/Car中建立了3种方案的对应整车仿真模型，并进行操稳性仿真分析，分析结果表明，方案1的操稳性优于方案2和方案3。研究结果对纯电动城市客车动力系统的布置设计具有一定的参考意义。
[1]赵云. 电动汽车结构布置及设计[J]. 汽车电器，2006（6）：4-11.
[2]汪植亮，吴宪. 燃料电池轿车总布置的参数化设计[J]. 上海汽车，2005（5）：18-21.
[3]余志生. 汽车理论[M]. 北京：机械工业出版社，2010.
[4]黄菊花，闫菊. 基于某商务电动汽车操纵稳定性仿真分析的底盘布置优化[J]. 南昌大学学报：工科版，2012，34（1）：53-57.
[5]GB/T 6323.2—94，汽车操纵稳定性试验方法转向瞬态响应试验（转向盘转角阶跃输入）[S].
[6]GB/T 6323.3—94，汽车操纵稳定性试验方法转向瞬态响应试验（转向盘转角脉冲输入）[S].
