基于前驅燃油轎車開發純電動教練車的布置和匹配計算

肖黎明 谷 雨

（重慶迪科汽車研究有限公司，重慶400051）

0 引言

隨著中國經濟的快速發展，中國汽車市場發展迅速，產銷量連年上漲。其中乘用車市場增幅最高，而個人用車市場為增長主力。隨著個人用車的普及，學習汽車駕駛在近年來形成一股熱潮，這也催生出一個巨大的駕駛培訓市場。

駕駛訓練大多都在訓練場地進行，人員和車輛相對集中，而場地訓練中教練車總是處于低速行駛狀態，發動機在怠速工況下燃燒效率低下，排氣中有害成分濃度較高，對場地中的學員和教練傷害較大。

隨著純電動汽車的發展，國內很多駕駛培訓機構提出了發展純電動教練車的需求，期望以電動車零排放、低使用成本的優勢改善駕駛培訓現狀；國家標準的進一步提高，也對電動車替換燃油車起到了一定的推動作用。

本方案在現有成熟燃油車型基礎上開發純電動教練車，其優點有：

（1）開發難度低。

市場配套產品成熟度較高，比較容易達到既定的性能目標。

（2）開發成本低。

開發周期短，產品短期內能上市，見效快。

（3）生產投入低。

生產可以沿用現有生產設備，基本可以做到混線生產。

國內也出現了采用蓄電池或電纜供電的電動教練車，這些產品都存在著一些致命的問題，導致純電動教練車沒能大規模普及。

（1）集成水平較低。

改裝后的車輛狀態變化明顯，無法通過國家標準審查，不能正常上戶。

（2）改裝手段落后。

對車輛結構破壞較大，影響整車性能，縮短使用壽命，且無法大批量規范化生產。

（3）操控感覺差。

由于沒有專門的控制和模擬系統，純電動教練車和燃油車輛在操控感覺上完全不同，實際培訓效果差。

（4）持續行駛里程低。

蓄能裝置能量密度低或者充電線纜長度有限，都影響了教練車的正常使用。

如何改善現有純電動教練車的缺點，成為電動教練車能否大規模推廣、應用的關鍵。

下面將以某前置前驅車型為例，對燃油車型開發電動教練車進行具體描述。

1 總體方案

1.1 設計要求

（1）開發車型與原燃油車型一致，為四門兩蓋、五座車型。

（2）基于現有前置前驅燃油車型改制，對白車身不做非必要的改動。

（3）完全使用電能作為驅動能源，能源系統使用帶電源管理系統的鋰電池。

（4）達到2016—2020年中央財政新能源汽車推廣應用補助標準，最大車速≥100km／h，最大爬坡度20%，保證單次充電后150km續駛里程。

（5）保留離合器和變速器系統，能模擬普通車輛的操作，控制系統需設置怠速系統。

（6）滿足GB7258—2012《機動車運行安全技術條件》的要求，能獲取牌照和上路行駛。

（7）滿足GB／T28382—2012《純電動乘用車技術條件》的要求。

（8）滿足國家對駕駛教練車輛GB7258、GB18565的技術要求，達到JT／T198中規定的二級車以上技術條件。

1.2 布置方案

（1）將原動力總成中發動機換為電動機，傳動系統部件（離合器、變速器等）保留，采用直連方式連接（圖1）。設計新的懸置系統，保證使用原車懸置安裝點。

圖" 動力總成替換方案示意圖

（2）去除機艙內的進、排氣系統，在動力總成上方增設電氣安裝板，安裝電機控制器、充電機、高壓分線盒和DC—DC轉換器。

（3）儲能系統采用磷酸鐵鋰電池，根據空間布置分為兩個電池包，一個位于后排座椅下原油箱位置，另一個位于后行李箱內，需考慮安全防護裝置和內裝飾。

（4）轉向系統和制動系統基本保持原車狀態。制動系統增設電動真空泵和真空罐。轉向助力油泵安裝在驅動電機上，通過皮帶帶動。轉向參數和制動力參數根據整車質量和軸荷變化進行調整。

（5）對白車身不做結構性調整，可去除無用的安裝結構，增設電池包安裝和線纜安裝結構（圖2）。

圖- 電動教練車布置方案示意圖

1.3 小結

本方案采用成熟的車身平臺，配置新的電驅動動力總成，繼承了原車型的車身、底盤、附件和內外飾總成，這些都是經過大批量生產實踐和用戶使用驗證的。

該方案成熟穩定，并且80%以上的系統和總成都可直接沿用，既降低了開發風險，又減少了開發和生產成本，而且采用電驅動在NVH性能、動力性能、操控性能和可靠性等方面都體現出了明顯的優勢。

2 驅動系統參數計算

2.1 系統參數計算流程

根據需要的整車參數和性能指標要求，通過分析計算，確定滿足目標性能的動力系統參數。

其主要流程如圖3所示。

圖* 電動車驅動系統計算流程圖

2.2 驅動電機參數計算

2.2.1 計算用基本參數列表

計算用基本參數如表1所示。

2.2.2 參數取值說明

（1）空氣阻力系數。

根據同類車型的比較，初步確定空氣阻力系數為0.32。

（2）迎風面積。

根據車身外表面及各種附件的數模投影計算出迎風面積A＝2.068m2。

表" 計算用參數列表

（3）動力傳動系統機械效率。

根據動力傳動系統具體結構，傳動系統的機械效率ηT主要由變速器傳動效率η1、傳動軸萬向節傳動效率η2、主減速器傳動效率η3等部分組成。

式中，η1＝98%；η2＝97%；η3＝95%。

可得：ηT＝98%×97%×95%≈90%。

（4）滾動阻力系數f。

采用推薦的轎車輪胎在良好路面上的滾動阻力系數經驗公式進行計算。

其中，對于HR級輪胎（允許最高車速為210km／h的子午線輪胎），推薦范圍如下：f0＝0.008 1～0.009 8，取0.009；f1＝0.001 2～0.002 5，取 0.002；f4＝0.000 2～0.000 4，取0.000 3；對于良好瀝青路面，c＝1.2；ua為汽車行駛速度（km／h）。

滾動阻力系數與速度的關系曲線如圖4所示。

圖. 滾動阻力系數—速度曲線圖

2.2.3 動力系統主要參數匹配計算

根據動力系統控制策略，驅動電機的最大功率Pmax必須滿足最高車速時的功率要求Pe，必須滿足加速、爬坡時的功率要求Pa、Pc，即 Pmax≥max［Pe、Pa、Pc］。根 據 GB／T28382—2012，電機需滿足以下要求：

（1）滿足最高車速需求的電機額定功率：

式中，m 為 滿 載 質 量 （kg）；g 為 重 力 加 速 度 （m／s2），取 值9.8m／s2；f為滾動阻力系數；umax為整車最高車速（km／h），取值100km／h；CD為空氣阻力系數；A 為迎風面積（m2）；ηT為動力傳動系統機械效率；ηC為電機效率。

最高車速為100km／h時，滾動阻力系數f＝0.013 56，代入式 （3），求 得 Pe≥19.23kW，即 電 機額 定 功 率 Pe≥19.23kW，才能滿足最高車速需求。

（2）滿足最大爬坡度需求的電機最大功率：

令Pc1為最大爬坡度a＝20%、爬坡速度Ua1＝15km／h時的電機最大功率；Pc2為最大爬坡度a＝12%、爬坡速度Ua2＝30km／h時的電機最大功率；Pc3為最大爬坡度a＝4%、爬坡速度Ua3＝60km／h時的電機最大功率。其中，車速為15km／h時，滾動阻力系數f1＝0.011 16；車速為30km／h時，滾動阻力系數f2＝0.011 523；車速為60km／h時，滾動阻力系數f3＝0.012 287。

代入式（4），求得 Pc1≥19.5kW、Pc2≥24.84kW、Pc3≥21.97kW，即電機最大功率Pc≥24.84kW，才能滿足最大爬坡度功率需求。

（3）滿足最大爬坡度a＝20%的電機扭矩：

式中，m 為 滿 載 質 量 （kg）；g 為 重 力 加 速 度 （m／s2），取 值9.8m／s2；f為滾動阻力系數；r為車輪滾動半徑（m）；i0為主減速比；i1為變速器1擋減速比；ηT為動力傳動系統機械效率；ηC為電機效率。

車速為15km／h時，滾動阻力系數f1＝0.011 16，代入式（5），求 得 Tmax≥104.6N·m，即 電 機 最 大 扭 矩 Tmax≥104.6N·m，才能滿足最大爬坡度扭矩需求。

（4）滿足最高車速需求的電機轉速：

按照最大車速100km／h的要求，暫定使用最高檔減速比，電機最大轉速需滿足：

式中，umax為整車最高車速（km／h），取值100km／h；r為車輪滾動半徑（m）；i0為主減速比；i5為變速器5擋減速比。

經過式（6）計算求得nmax≥2 733r／min，即電機最大轉速nmax≥2 733r／min，才滿足最高車速需求。

2.2.4 驅動電機參數匹配結果及分析

根據上述計算我們可以得到動力系統主要參數匹配的計算結果，如表2所示。

表- 動力性指標計算結果

電動汽車電機的三種主要形式是永磁同步電機、異步電機和開關磁阻電機，三者的優缺點如表3所示。

表* 新能源汽車常用驅動電機類型對比

根據以上計算和對比結果，考慮到批量生產的可靠性，所以選擇永磁同步電機：額定功率20kW，最大功率45kW；額定轉速2 300r／min，最大轉速4 500r／min；額定扭矩84N·m，最大扭矩205N·m；工作電壓AC140V。

2.3 電池容量匹配計算

因本款電動汽車的設計針對的是城市交通中經常在城市和良好公路上行駛的汽車，所以按照GB／T18386—2005《電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》中4.4.5.2條工況法要求，可只使用城市循環進行計算。

城市循環時間為195s，行駛路程為1.017km，平均車速為18.26km／h，最高車速為50km／h，最大減速度為－0.83m／s2，最大加速度為1.06m／s2，停靠次數為3次。

按照城市循環工況對每個過程進行計算，分為勻速工況與加速工況，以下為勻速和加速工況功率公式：

勻速過程所消耗的功率：

單個循環工況的路程為1.017km，所以可以得出要到達續駛里程u時所需的電池電量：

根據上述公式按照城市工況法進行計算，續駛里程150km的情況下，所需電池電量為：WB＝29.3kW·h。

經過實際試驗，按照60km／h勻速行駛，續駛里程能達到180km以上。通常教練車都在培訓場地內使用，時速基本都≤40km／h。低速下使用還能使電動車續駛里程增大，所以這些電量能滿足教練車每天8～10h的工作使用。

2.4 動力電池選擇

目前廣泛使用的電動汽車動力電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等，正在開發的還有超級電容以及發展遠景更好的氫燃料電池和薄膜太陽能電池。

考慮到成本和車輛的使用情況，我們選取鋰離子電池作為電動教練車的動力電池。

現在電動車行業中使用的鋰離子電池主要有以下幾種：

（1）磷酸鐵鋰電池。

它的放電效率較高，倍率放電情況下充放電效率可達到90%以上。安全性也高于其他電池，理論壽命可以達到7～8年，實際使用壽命大約為3～5年。但是磷酸鐵鋰電池的價格高于其他類型的電池，而且電池容量較小，報廢后基本上不能回收再利用。

（2）磷酸鐵錳鋰電池。

這種鋰離子電池突破了傳統的磷酸鐵鋰電池的能量密度限制，達到了三元材料水平，而在成本控制上比普通的磷酸鐵鋰更低，是比亞迪主推的產品。

（3）鈷酸鋰電池。

這種電池具有結構穩定、容量比高、綜合性能突出的優點，但是其安全性差，而且成本非常高，主要用于中小型號電芯。

TESLA電動車的電池采用了松下提供的NCA系列18650鈷酸鋰電池，85kW·h電量的 MODEL S車型一共運用了8 142個18650鋰電池。為了保證電池組的安全性，在每一節18650鈷酸鋰電池兩端均設有保險絲，當電池出現過熱或過度放電時，電源管理系統（BMS）會將保險絲切斷，以此避免因某個電池出現異常影響到整個電池包。

就此來看，鈷酸鋰電池雖然本身存在著缺陷，但是通過與電源管理系統的結合其安全性能保證，這樣的解決方案還是很適合在純電動汽車上使用的。

經過市場調查和對比，我們也選取18650型鋰離子電池作為電動教練車的動力電池。電池由廠家包裝成單元體，單個單元體由40個18650型電芯并聯組成。單元體內部設置電源管理系統，單元體性能如下：容量120Ah、電壓3.6V、質量3.1kg。

單個單元體電量為W單＝120×3.6＝0.432kW·h，滿足續駛里程150km情況下需求的29.3kW·h電量。

需要電池單元體數量n為：

考慮到彌補電池的充、放電效率及能量損耗，增大配置電量到30kW·h，確定電池單元體數量為70塊。根據空間布置要求分成兩個大的電池包：前電池包在后地板下，30塊電池單元體；后電池包40塊電池單元體。

3 結論

經過上述布置和計算校核，以前驅燃油車型為基礎開發純電動教練車是可行的。

由于使用了鋰電池及新增了電氣設備，整車采購成本比原車高一倍以上，但根據中央財政對新能源汽車推廣應用補助政策，電動教練車可以獲得國家補貼，同時各省市還對新能源車輛有地方性的補貼。再加上國家對新能源車輛免稅、不限牌等種種優惠政策，實際采購成本還可能會低于常規車型。

電動教練車在節能減排上效果明顯，同時維護簡單、使用效率高、使用費用低，能明顯降低駕駛培訓的成本。隨著社會對節能減排的呼聲越來越高和政府的積極導向，教練車這個相對封閉的領域也會慢慢地向著新能源方向發展，此時開發純電動教練車也是順應市場發展的趨勢。

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