基于某燃油載貨車的油改電方案設計及改制

李威華 劉曉峰

比亞迪汽車工業有限公司 廣東深圳 518112

1 前言

在能源危機和環境污染問題的壓力下，尋找替代石油的新能源車成了必然的選擇。世界各大汽車公司以及國內各大科研機構和高等院校紛紛致力于開發清潔能源汽車，新能源汽車獲得了長足發展。

美國某快遞公司目前正積極推進和采購新能源車，已有12%（約1 300輛）的傳統動力車輛被置換為天然氣車輛，已購置約2 000輛丙烷驅動新能源車，在新能源車輛上累計投資逾7.5億美元。未來此公司將重點發展電動卡車，目前已向不同供應商采購超過100臺純電動物流載貨車展開試運營。

為滿足客戶運營路況和車輛性能需求，同時減少整車開發成本，筆者在一輛傳統燃油動力車輛的基礎上進行改制，開發定制了一款高續駛里程、動力性能不遜色于同類傳統動力車輛的純電動載貨汽車。

2 現有技術的缺點

目前有一種微型純電動物流車，該車型利用微卡底盤進行改裝，動力電池組由一個大電池包，兩個小電池箱構成，車載充電機與DC/DC作成集成式結構，構成集成元器件，可使電動物流車具有高續駛里程，行駛安全穩定、車載能力大的優越性能。

但是，高續駛里程純電動物流車結構布置的不足之處在于：a.該車型是在微卡底盤基礎上改裝，不適用于中型卡車底盤，中型卡車底盤需重新設計；b.該車型的電池箱、驅動電機、驅動電機控制器、高壓配電盒及集成元器件這些質量較大的零部件相對都集中在車輛中后部。車輛在滿載的狀態下，整車的軸荷分配存在不合理的風險，后軸荷偏大，易造成輪胎異常磨損，安全系數降低；c.該車型的驅動電機是通過傳動軸與后橋連接，其與傳統前置后驅的汽車一樣，不能省去傳動軸，增加了制造成本并提高了車輛故障率。

另外，以發動機為動力源的傳統中型燃油物流車的不足之處在于：a. 發動機在駕駛室下方，噪聲大，對駕駛舒適性影響很大，同時對周邊的環境和人也造成影響，使人易感到煩躁；b.發動機的排放物對環境影響大；c.發動機的能源利用率低，傳動系統復雜，損耗大，加劇了能源危機和環境污染；d. 傳統物流車油耗大，使用成本高。

3 產品開發需求及總布置方案

3.1 產品開發需求

純電動載貨汽車是在客戶提供的傳統燃油動力車輛基礎上進行改制的，開發車型軸距為5 337 mm，最大總質量為10 660 kg，采用磷酸鋰鐵電池和單電機集成橋作為整車動力源；動力性能不低于改裝前的傳統燃油動力車輛要求；續駛里程滿足美國城市道路每日行駛里程150 km。原車技術參數及設計目標，如表1、2所示。

表1 原車技術參數

表2 純電動載貨車設計目標

3.2 總布置方案

在保持現有傳統燃油車軸距不變情況下，采用單電機集成橋，峰值扭矩550 Nm，峰值功率150 kW，提升整車加速能力和爬坡度，同時在單電機集成橋增加P擋駐車功能，滿足美國當地用車習慣； 采用磷酸鋰鐵電池， 總電量1 4 5 kWh，電壓平臺540 V，滿足整車高續駛里程需求；車內暖風系統采用PTC加熱器和電動水泵替代原車的熱源及動力源，保證車輛的暖風功能正常使用；增加高壓電控系統，保留原車車身、制動系統、行駛系統（不含驅動橋）、轉向系統（更換動力源）不變，以及其余主配置保持與原車一致，提高產品通用性，減少開發成本。

根據上述改制方案，一種中型短頭式純電動物流車的布置形式是：動力電池、雙向逆變充放電式電機控制器、單電機集成橋在底盤下方中后部；整車控制器、P擋控制器、PTC加熱器、電動水泵、動力電池管理器、維修開關、高壓配電箱、三合一控制器布置在底盤上方的駕駛室前艙；交流充電插座布置在貨箱尾門處；中電池包箱在第一橫梁與第二橫梁之間，左、右電池包箱在車架中前部外兩側。如圖1、2所示。

4 各系統關鍵產品參數確定

圖1 某中型新能源載貨車總布置正視圖

圖2 某中型新能源載貨車底盤總布置俯視圖

式中：Pm為電機功率，kW；m為車輛總質量；f為滾動阻力系數；CD為空氣阻力系數；AA為迎風面積；ρ為空氣密度；VV為車輛運行速度，汽車與空氣的相對速度為Va（ 風速為0時V V=Va） 。常用的系數定義可參考參考文獻[8]。

最高車速是考量汽車性能的重要指標。汽車在達到最高車速時，車輛的驅動力與行駛阻力達到平衡，不考慮坡道的影響，此時汽車的阻力主要是滾動阻力與空氣阻力。電機的最高功率平衡方程為：

式中，Pmmax為電機最大功率，kW。

在某一車速下電動機的轉矩需求為（忽略坡道及加速阻力）：

式中，Tm為 電動機轉矩，Nm；γ為動態滾動半徑，mm；ig為變速器減速比；i0為主減速器減速比；其他參數定義同上。

車輛最大爬坡度指的是滿載狀態下，車輛以10 km/h 運行勻速爬坡能力。電機的最大轉矩需求為：

式中，Tmmax為電機最大轉矩。

4.1.2 傳動比選擇

電動機具有很大的啟動轉矩，具有低速恒轉矩、高速恒功率的特點，能夠根據車輛需求輸出轉矩和轉速。電動汽車傳動比的選擇需要滿足最高車速和最大爬坡度的要求。選定電機后，電機的最高轉速與最大轉矩隨之確定，這就需要選擇合適的傳動比來滿足車輛的性能要求。

a.最小傳動比的選擇：

式中,nmmax為電機最高轉速，r/min。

b.最大傳動比的選擇：

式中,famax為最大爬坡狀態下的行駛阻力。

4.1.3 單電機集成橋

在傳統燃油動力車輛基礎上，將變速箱、傳動軸及后橋拆卸下來，采用單電機集成橋、P擋控制器及TCU控制器。單電機集成橋集成了驅動電機、兩擋自動變速箱自動電液換擋控制模塊、后橋及P擋鎖機構于一體，極大地提高了動力的傳遞效率，提升了整車的動力性和經濟性，如圖3、4所示。其集成的變速箱箱體由鋁合金鑄造，比鑄鐵箱體輕60%至70%,環保、抗銹、優良的導熱性、易于機加工，同時省去此處的傳動軸，節約制造成本及降低車輛的故障率。單電機集成橋的電機、變速箱參數如表3、4所示。

圖3 單電機集成橋前視圖

圖4 單電機集成橋俯視圖

表3 單電機集成橋電機參數

4.1.4 動力電池組參數的選擇

電動汽車動力電池組是電動汽車的能量來源，由很多個電池單體通過先并聯后串聯的方式組成。電池組的總電壓取決于電機控制器的輸入電壓范圍，電池組的總容量則取決于整車性能要求，既包括加速性能又包括續駛里程。

a.由加速性能選擇單體電池數量

式中，Pmmax為 電動汽車峰值功率，kW；Pbmax為單體電池最大輸出功率，kW；ηe為電動機工作效率；ηe c為電機控制器工作效率。

b.由續駛里程選擇單體電池數量

式中，S為設計續駛里程，km；Q為車輛行駛1 km所需的電量，kW；Cb為單體電池額定容量，Ah；Vb為單體電池額定電壓，V。

4.1.5 動力電池

在傳統燃油動力車輛基礎上，將發動機及附件拆卸下來，采用磷酸鋰鐵電池和電池管理控制器，動力電池總電量145 kWh，電壓平臺540 V，電芯容量270 Ah。電池管理器主要用于實時監測動力電池的運行工作狀態，包括電池充放電過程的電流、電壓、溫度等參數，使電池處于良性工作狀態，保證車輛可靠運行。

動力電池在底盤中是質量最重、體積最大的零部件總成，其布置直接影響整車的軸荷分配和車架強度，且會影響其他零部件的布置。為滿足以上所述要求和滿足整車高續駛里程的要求，動力電池分成三個電池包箱，分別為中電池包、左電池包、右電池包。中電池包布置在駕駛室正下方，車架內側及前橋后方，利用其前方的橫梁及大梁固定電池包的托架以保證安裝強度要求；左、右電池包分別布置在車架中前部外兩側，也利用車架大梁固定電池包的托架以保證安裝強度要求。如圖5、6所示。

圖5 動力電池包俯視圖

圖6 動力電池包后視圖

4.2 電控系統

4.2.1 整車電控系統組成

根據功能實現的不同，整車電控系統主要分為電池充放電控制系統、電機控制系統、輔助控制系統，其系統框圖如圖7所示。電池充放電控制主要由主電池管理器、輔助電池管理器、雙向逆變充放電電機控制器等控制模塊實現，保證電池正常的充放電過程，充電方式采用交流充電。電機控制功能主要由整車控制器和雙向逆變充放電電機控制器實現，保證電機正常的動力輸出。輔助控制系統主要三合一控制器組成，主要實現轉向電機控制、空氣壓縮機控制、DC-DC控制等功能。

圖7 整車電控系統組成

4.2.2 驅動電機控制器

選用額定功率為180 kW的驅動電機控制器，滿足單電機集成橋的最大功率需求。

4.2.3 DC與輔助電機控制器

此控制器集成轉向電機控制器和DC-DC變換器功能。轉向電機控制器額定功率為5 kW，峰值功率10 kW，滿足轉向電機油泵額定功率4.7 kW，峰值功率9 kW需求；DC-DC變換器將動力電池高壓540 V電轉化為28 V低壓電，供整車使用以及在蓄電池饋電時給蓄電池充電，DC輸出功率3.5 kW，滿足整車低壓用電需求。

4.2.4 高壓配電

高壓配電主要由高壓配電箱來完成，它利用高壓接觸器、維修開關、高壓保險等在動力電池進行充電或放電時接通相應充放電回路，并集成預充電阻、霍爾電流傳感、燒結檢測光耦等器件協助驅動電機控制系統、空調系統、冷卻系統和DC與輔助電機控制系統完成預充功能、檢測直流母線電流值以及高壓接觸器是否損壞等功能。

4.3 空調系統

4.3.1 暖風系統

由于傳統燃油動力車輛的發動機被拆卸下來，暖風系統的動力源及熱源由電動水泵和PTC加熱器替代。通過選用流量為33 L/min的電動水泵，滿足流量25 L/min的需求。通過熱負荷計算選用額定功率為6 kW的PTC加熱器，滿足駕駛室熱負荷4.5 kW的需求。暖風箱體仍舊使用原車的箱體不變。

4.3.2 制冷系統

制冷系統用于動力電池包冷卻系統的熱交換，帶走動力電池包產生的多余熱量，維持動力電池包在合理的溫度范圍內工作。通過動力電池包冷負荷和冷凝器熱負荷的計算，選用額定功率為3 kW的壓縮機和熱負荷能力為5 kW的冷凝器，滿足動力電池包冷負荷2.7 kW和冷凝器熱負荷4.6 kW的需求。

4.4 冷卻系統

4.4.1 底盤冷卻系統

底盤冷卻系統的布置方案為：電動水泵（1個）將冷卻液增壓并以一定的流量依次泵入DC與輔助電機控制器、驅動電機控制器、驅動電機的水套中；冷卻液從水套中流過時吸收水套壁的熱量而升溫，后經過冷卻系統回水管進入散熱器（1個）進行降溫；電子風扇（1個）加快散熱器周圍的空氣流動，從而使散熱器吸收的熱量很快地散發到大氣中；最后冷卻液經過散熱器出水管回到水泵，如此進行不斷的循環；在此過程中，系統中殘留的氣體可以通過散熱器進水口設置的排氣口以管路連接進入膨脹水箱（1個）后排出，而且損失的冷卻液也可以通過膨脹水箱進行補充。具體的冷卻循環回路如圖8所示。

圖8 底盤冷卻循環回路

4.4.2 動力電池冷卻系統

動力電池冷卻系統的布置方案為：電動水泵將冷卻液增壓并以一定流量先泵入板式換熱器（1個）進行降溫，然后泵入三個電池模組中，冷卻液從電池包內部水路流過時吸收熱量而升溫，后經過冷卻系統回水管回到水泵。板式換熱器通過空調冷媒的輸入進行熱交換。在冷卻過程中，系統中殘留的氣體可以通過通過管路中設置的排氣口以管路連接進入膨脹水箱（1個）后排出，而且損失的冷卻液也可以通過膨脹水箱進行補充。具體的冷卻循環回路如圖9所示。

圖9 動力電池包冷卻循環回路

4.4.3 冷卻系統關鍵零部件選型

根據散熱器散熱面積、電子風扇風量、電動水泵流量及膨脹水箱容積的計算結果及各個零部件的性能參數，可以得到表5、6的結論，可見底盤及動力電池冷卻系統關鍵零件選型滿足使用要求。

表5 底盤冷卻系統關鍵零部件選型結論

表6 動力電池冷卻系統關鍵零部件選型結論

4.5 轉向系統

保留原車轉向系統的整體方案，采用轉向電機油泵作為轉向系統的動力源，根據轉向器內部參數，計算需求油泵最大壓力為9.3 MPa，最大流量為9.5 L/min，選用最大壓力為15 MPa，最大流量為15 L/min的轉向電機油泵，滿足需求。

4.6 其余系統

制動系統、行駛系統、車身及駕駛室線束保留原車方案，其中車架孔位根據實際情況補焊及開孔，盡量借用原車孔位；車架橫梁在滿足強度前提下根據動力電池包布置調整以及新增橫梁；后板簧U型螺栓根據單電機集成橋與板簧匹配重新選型。底盤低壓線束和高壓線束重新開發設計。

5 基于Matlab軟件的改裝后整車性能仿真

5.1 仿真模型建立

在Matlab軟件中，通過對各個動力系統進行建模，設定仿真邊界條件：電池初始SOC為1（100%），終止SOC為0.05（5%）。分別進行車輛空載、半載、滿載狀態下的各項性能仿真。在Matlab軟件中建立公差模塊、工況模塊、電池模塊、電機模塊、行駛阻力模塊、換擋模塊等進而完成了改裝后的純電動載貨車仿真模型，如圖10所示。用到的驅動電機外特性曲線，如圖11所示。

圖10 改裝后純電動載貨車Matlab仿真模型

圖11 驅動電機外特性曲線

5.2 仿真動力性結果分析

通過Matlab 軟件建立仿真模型，分析最高車速、加速性能和爬坡性能，性能仿真結果，如表7所示。加速性能曲線如圖12、13所示，滿載爬坡性能曲線如圖14所示。

表7 加速性能仿真結果

5.3 續駛里程分析

根據客戶載貨物流車的在美國路況運行特點，分別計算該車空載、半載和滿載在勻速40 km/h車速和城市循環工況（UDDS）下的續駛里程，仿真結果如表8 所示。

圖12 半載加速時間曲線

圖13 滿載加速時間曲線

圖14 滿載爬坡度-速度曲線

6 實車測試驗證

6.1 主要參數對比

本車型改制完成后如圖15所示，并對改裝前后的測試數據以及現有微型純電動物流車的數據對比如表9、10所示。

表9 動力經濟性參數對比

表10 動力電池及充電參數對比

通過表9、10可以看出，經過改制后的中型純電動物流車在保證動力性不下降和高續駛里程的前提下，解決了改裝前燃油車噪聲大，環境污染，能源利用率低，使用成本高的問題，同時了提高駕駛舒適性；較現有的微型純電動物流車提高了動力性能和續駛里程，充電時間較短。

6.2 軸荷分配對比

中型燃油物流車改裝前后的軸荷分配如表11所示。

表11 軸荷分配對比

由上表可看出，改裝前后的滿載狀態下軸荷分配相差不大，在允許變動的范圍內，說明質量較大的關鍵零部件整體布置在車輛的靠近中前部是合理的，解決了現有微型純電動物流車在滿載的狀態下，整車的軸荷分配存在不合理造成后軸荷偏大，易造成輪胎異常磨損，安全系數會降低的問題。

7 結語

在傳統能源載貨車基礎上進行純電動載貨車的研發改制，主要研究了中型載貨車純電驅動改裝的設計方案，基于客戶載貨物流車底盤的結構參數，進行了動力系統純電驅動改裝的匹配設計，并對轉向、冷卻、空調及電控系統關鍵零部件選型。根據整車設計目標的要求，通過車輛動力學計算，確定了驅動電機、動力蓄電池系統的主要參數和結構類型。在Matlab軟件內，對改裝后的純電動載貨車進行了動力學建模，依托這個模型，對改裝后的純電驅動載貨車進行了性能仿真。仿真結果及實車測試數據表明:在不影響改裝前車輛的動力性下，解決了傳統燃油車和微型純電動物流車技術缺點的問題，并且滿足客戶運營路況及續駛里程要求，整個改制匹配設計方案是可行的。