浅析纯电动城市客车总布置方案对整车主要性能的影响

夏德刚

上海万象汽车制造有限公司 上海市 201611

1 引言

随着我国新能源汽车的示范运营到目前的大量推广应用，新能源汽车不断成为社会的焦点，作为新能源汽车发展重点的纯电动城市客车亦是备受社会广泛关注。纯电动城市客车是城市主要公共交通工具、人民群众绿色出行的重要载体，其安全性、使用经济性一直以来被视作产品开发设计的重点。

纯电动城市客车和传统车型（燃油、燃气等）存在着巨大的差别：一方面动力源换装为数量众多、体积和质量庞大的高压动力电池系统；另一方面动力系统换装为电驱动系统、相应增加了各种电辅件以及大量的高低压线路等。整车部件及参数的变化，导致纯电动城市客车的总体布置方案相对传统车型作出了重大调整。如何保证涉及行车安全的行驶稳定、制动、碰撞等安全性能？如何降低整车质量、降低能耗、提高整车经济性？如何满足用户车内空间利用率及续航里程的需求？如此种种，都要求整车总布置工程技术人员在方案选择、性能指标确定、结构布置、性能控制、整车和子系统合理匹配等方面要作出重大突破。现以我司开发的一款11米纯电动城市客车为例，通过对其不同总布置方案分析，探讨纯电动城市客车总布置方案对整车性能的影响，为纯电动城市客车总布置方案选择提供参考。

2 整车开发方案介绍

2.1 整车开发目标参数

该项目车型为后置、后驱二级踏步纯电动城市客车，目标客户地一线城市公交。根据市场调研统计结果，目标客户地公交线路的特点：线路长（达200 km以上），乘客流量大。对此经过论证、评审确定整车主要设计性能技术参数，具体见表1。

表1 11米纯电动城市客车设计性能参数

2.2 整车结构布置

由于该车配装2000～3000kg的动力电池（总共12箱），若要保持和同级别传统车一样的车内空间，座位数不减少，同时整备质量亦不超过12000kg，必须采用全承载式车身。动力电池最佳的布置方案就是大部分布置在车厢地板以下。图1为该车底盘两种总体结构布置方案。

布置方案一中选择和传统车一样的轴距长度5100mm，空间所限，在车辆中段地板下布置6箱动力电池。为了保证能布置下其余动力电池及电驱动系统等所有部件，后悬长度须取法规上限值（轴距长度的65%）。布置方案二中选择长轴距6100mm，在车辆中段地板下布置10箱动力电池。通过调整，在保证布置下其余所有部件的条件下，同时整车长度不变，后悬长度降低到轴距的40%。

2.3 整车轴荷分配及质心位置

整车轴荷分配及质心位置是汽车相关性能计算中的基础数据，估算结果的准确程度直接影响到实车的性能。在保证整车结构强度及质量控制目标的前提下，在三维建模前期，根据力矩平衡原理，按照式（1）、式（2）和式（3）对两种布置方案下的整车轴荷分配及质心位置进行估算（后期可以通过CATIA三维建模较准确的得出）。表2为车辆整备、半载、满载三种典型状态下的各轴负荷和整车质心位置（假设乘员质量在车厢内均布）。

式中，g1、g2、g3…gI为各总成质量，kg；g人为乘员总质量，kg；l1、l2、l3…lI为各总成质心到前轴距离，m；l人为所有乘员质心到前轴距离，m；h1、h2、h3…hI为各总成质心到地面距离，m；h人为所有乘员质心到地面高度，m；G2为满载后轴负荷，kg；L为汽车轴距，m；a为汽车满载质心距前轴距离，m；hg为汽车质心到地面高度，m。

同理通过改变式（1）、式（2）和式（3）中变量的定义，可求得：车辆整备状态后轴荷G2＇、质心距前轴距离a＇及质心到地面高度hg＇；车辆半载状态后轴荷G2＂、质心距前轴距离a＂及质心到地面高度hg＂。

图1 底盘总体结构布置方案

3 两种布置方案下整车安全性能

3.1 整车操纵稳定性

汽车操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。是决定汽车行驶特别是高速行驶安全的一个主要性能。由于影响汽车操纵稳定性的因素较多，加之城市客车车速较低（最大设计车速小于70km/h），本文仅对不同总布置方案下的整车质心位置对整车操纵稳定性的影响进行部分分析。

转向回正性能是汽车的一项重要性能，容易想到一辆没有转向回正或者转向回正速度极慢及回正残余角度特大的汽车，驾驶员如何能接受？驾驶安全如何能得到保证？汽车重心位置的前后影响汽车前轴载荷大小，汽车前轴载荷的大小是影响汽车转向回正的一个重要因素（重力回正）。大客车尤其是城市公交车转向回正性能往往不是很理想，对此曾对比过不同生产厂家的四种同类型的公交车辆，同一驾驶员、同一车速、同一场地测试下来，只有一款车转向回正性能表现良好，其它三款表现较差。具体观察整车总体布置结构，发现转向回正性能表现良好的车辆其轴距、相同部件布置位置和其它三款车辆不同。以前桥主销后倾角所形成的转向回正力矩计算公式，来分析不同车辆总体布置方案导致前轴荷变化时（重心位置）对转向回正力矩的影响因素，如下：

式中，MR为主销后倾角所形成的转向回正力矩，N.m；η为机械逆向传动效率；F为前轴载荷，N；e为转向轮与路面接触点至主销轴线的距离。

从公式（4）中看出随着前轴载荷F的增大，转向回正力矩MR随之增大，这也验证了曾经对比测试中，转向回正性能表现良好的车辆原因所在（轴距较大、前轴荷较大）。故整车总布置设计人员在客车总布置设计阶段应该合理确定车辆质心到前轴的距离，合理的加大前轴荷，以期得到满意的车辆转向回正性能。

车辆质心位置对高速行驶的车辆的操纵稳定性的影响很大，尤其是车辆质心位置高低的变化影响更大。由于城市客车车速较低（最大设计车速小于70km/h）车辆质心位置的变化对车辆的操纵稳定影响甚微，关于此方面的具体分析很多相关论著已经详细阐明，本文不做过多介绍。车辆总布置设计人员在做整车总布置设计时应该尽量将质心位置前移，否则可能会造成车辆的过多转向趋势，造成驾驶员驾驶车辆过分紧张，引发安全事故。

3.2 整车制动性能

车辆制动性能直接影响行车安全，对此国家有专门的强制标准，GB7258《机动车运行安全技术条件》和GB12676《商用车辆和挂车制动系统技术要求及试验方法》对车辆制动性能做了详尽的规定。本文根据两种纯电动城市客车底盘总布置方案所确定的整车相关参数，对整车的制动性能作对比分析，由于篇幅问题仅片面的从前后轴制动利用附着系数和制动强度关系法规线符合性入手进行探讨。GB12676中 E.3.1.1规定所有车辆在轮胎与地面间的理论附着系数0.2～08之间时，制动强度应满足z≥0.1+0.85（k-0.2）； E.3.1.2 b）规定在车辆制动强度z处于0.15～0.3之间时，各车轴的附着系数利用曲线在k=z±0.08所确定的两条平行的理想附着系数利用曲线之间，且后轴附着系数利用曲线在制动强度z不小于0.3时满足制动强度z≥0.3+0.74 （k-0.38）关系。据此根据整车相关参数计算绘制两种车辆总布置方案下，前后轴制动利用附着系数范围ψf和ψr和制动强度的法规线关系图如下：

表2 轴荷和质心位置

对比两种车辆总布置方案下整车前后轴制动附着系数利用曲线，发现两种方案下车辆的整车前后轴制动附着系数利用曲线都在法规线范围内，都符合法规要求。方案一同步附着系数为0.65，方案二同步附着系数为0.6，在城市公交常用路面附着系数0.5～0.75的范围。为了防止后轮抱死（发生危险的侧滑）并提高制动效率，前后轴附着系数利用曲线应该尽量靠近理想的z=k（图中用ψ代替z）曲线，从图中看出方案二前后后轴附着系数利用曲线比方案一靠近理想z=k曲线，布置方案二比较合理。原因在于方案二加大了轴距使车辆质心较方案一靠近前轴。

制动器摩擦片的使用寿命和车辆总布置结构有很大关系，方案一车辆质心位置将方案一靠后，这使得车辆后轴荷大大增加，以前我司也开发过和方案一类似的纯电动客车，实验测试后发现后轮制动器温度过高，制动器摩擦片磨损过快，究其主要原因为后轴荷过大。方案二的布置结构恰当的解决了该问题。

4 两种布置方案下整车使用经济性能

两种布置方案都采用全承载式车身结构，采用全承载车身的好处：一是可以将动力电池全部布置在车厢地板下和车辆尾部侧舱中，车厢后部无封闭舱体，达到了和传统车一样的布置结构；二是可降低整车重量，降低车辆行驶能耗，满足公交客户一次充电大的续航里程要求。对比方案一和方案二车厢内主要乘客站立空间（车辆中段）的大小，很明显方案二远远大于方案一。实际测算下来，10米多的车辆车厢可使用空间达到了传统12米车辆车厢使用空间。

图2

通过市场调研，客户都对方案二表示认可。最终方案二通成功通过了公司相关评审，经过研发团队的不懈努力，车辆成功完成开发，整车整备质量11900kg，达到了整车整备质量≤12000kg的设计目标，并成功通过各项性能测试。现在已连续大批量服务于公交市场。

5 结语

纯电动城市客车总布置方案的选择对整车的性能影响巨大，通过本文两种车辆布置方案各项性能的综合比对，方案二采用的长轴距、短后悬、全承载结构能够合理布置下车辆动力电池，并改善车辆的各项性能，是现阶段纯电动城市客车的最佳布置参考方案。