某重型越野汽車底盤上裝一體化電動(dòng)改裝方案分析

王凱 馬福龍 楊武 賀小波 牟鑫

摘要：針對(duì)某重型越野汽車交付后用戶提出靜默行駛的新需求，基于并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，根據(jù)集成共享的設(shè)計(jì)理念，提出了底盤與上裝一體化電動(dòng)改裝方案。以動(dòng)力性及續(xù)駛里程指標(biāo)為要求，進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)主要元件選型計(jì)算；以整車最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量為限定條件，對(duì)改裝方案進(jìn)行分析，驗(yàn)證了方案的可行性。

關(guān)鍵詞：重型越野汽車；并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)；一體化電動(dòng)改裝

中圖分類號(hào)：U463.1? 收稿日期：2024-03-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406008

1 前言

某重型越野汽車采用6×6全驅(qū)底盤，長(zhǎng)距離公路行駛時(shí)，由底盤發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。到達(dá)工作場(chǎng)地后，底盤發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，由上裝柴油發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)上裝系統(tǒng)工作。該重型越野汽車交付用戶試用一段時(shí)間后，根據(jù)具體使用環(huán)境，用戶提出了靜默行駛的新需求。本文基于底盤上裝一體化設(shè)計(jì)理念，對(duì)該重型越野汽車提出了電動(dòng)改裝方案。

2 整車基本參數(shù)

該重型越野汽車整車基本參數(shù)見(jiàn)表1，電動(dòng)化改裝后整車總質(zhì)量應(yīng)不超出最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量限值。

21 原車動(dòng)力系統(tǒng)及動(dòng)力性指標(biāo)

該重型越野汽車電動(dòng)化改裝前（以下簡(jiǎn)稱原車）采用直列六缸柴油機(jī)、手動(dòng)機(jī)械變速器、雙速全時(shí)分動(dòng)器的6×6全驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)［1］，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。原車主要?jiǎng)恿π灾笜?biāo)見(jiàn)表2。

22 電動(dòng)化改裝方案

為滿足靜默行駛工況，對(duì)該重型越野汽車底盤與上裝進(jìn)行一體化電動(dòng)化改裝，方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

底盤采用單電機(jī)+自動(dòng)變速器的并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，電機(jī)位于發(fā)動(dòng)機(jī)與自動(dòng)變速器之間，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)同軸安裝并帶有自動(dòng)離合器。電機(jī)控制器及電池模塊布置于上裝，電池與上裝用電設(shè)備共享。發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)都能對(duì)汽車直驅(qū)，且可多擋調(diào)速，動(dòng)力性較好。汽車具備常規(guī)動(dòng)力、純電動(dòng)、混合動(dòng)力三種驅(qū)動(dòng)模式［2］。其中純電動(dòng)模式可滿足靜默行駛工況要求，該工況下汽車主要性能指標(biāo)需求見(jiàn)表3。

3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)計(jì)算與選型

31 電機(jī)功率計(jì)算

越野汽車一般要求其具有較大的爬坡度，考慮到爬陡坡工況的功率平衡方程為：

[P=u3 600ηmgfcosα+mgsinα+CDAu221.15+δmdudt]? （1）

311 峰值功率

汽車處于最高車速行駛、爬陡坡、急加速等高負(fù)荷工況下對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率需求大，應(yīng)分別對(duì)這三種工況下需求功率進(jìn)行計(jì)算。

按水平路面應(yīng)達(dá)到的最高車速計(jì)算：

[P1=u3 600ηmgf+CDAu221.15]???????????????????? （2）

按最大爬坡度計(jì)算：

[P2=uα3 600ηmgfcosα+mgsinα+CDAu221.15]??????? （3）

式中，[uα]為汽車最大爬坡度對(duì)應(yīng)的車速。

按加速時(shí)間計(jì)算：

[P3=δmut23 600η1-t-0.1tx+mgfut3 600η+CDAu276 140η]?? （4）

式中，[ut]為汽車急加速終了時(shí)刻的車速；[t]為汽車從車速為0加速到[ut]所用的時(shí)間；x為擬合系數(shù)，一般取05。

動(dòng)力源總功率必須同時(shí)滿足上述三項(xiàng)動(dòng)力性指標(biāo)，因此總功率為：

[Pmax=max（P1，P2，P3）]???????????????????????? （5）

將表1中參數(shù)及表2指標(biāo)代入式（2）～式（5），計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率應(yīng)大于1936 kW。

312 額定功率

額定功率是指汽車在常用工況行駛時(shí)的功率需求。該重型越野汽車以純電動(dòng)模式運(yùn)行時(shí)在水平路面勻速行駛車速為60 km/h，將上述要求代入式（2），可得按車速指標(biāo)計(jì)算的額定功率[P1]。該重型越野汽車在10%坡度勻速爬坡車速10 km/h，將上述要求代入式（3），可得按爬坡指標(biāo)計(jì)算的額定功率[P2]。額定功率必須滿足常用車速及爬坡性能指標(biāo)，因此額定功率為：

[Pe=max（P1，P2）]??????????????????????????? （6）

計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率應(yīng)大于863 kW。

32 電機(jī)扭矩計(jì)算

對(duì)于爬坡度較大的越野汽車，其行駛方程式為：

[Tiηr=mgfcosα+mgsinα+CDAu221.15+δmdudt]?????? （7）

式中，[i]為汽車純電動(dòng)模式下傳動(dòng)系總傳動(dòng)比。

321 峰值扭矩

該重型越野汽車以純電動(dòng)模式運(yùn)行時(shí)，按最大爬坡度要求，根據(jù)式（8）計(jì)算得到電機(jī)的峰值扭矩應(yīng)大于5824 N·m：

[Tmax=riηmgfcosα+mgsinα+CDAu221.15]?????????? （8）

322 額定扭矩

純電動(dòng)模式運(yùn)行時(shí)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率按式（9）計(jì)算得到額定扭矩應(yīng)大于2791 N·m：

[Te=3 600Perui]????????????????????????????? （9）

33 電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算

汽車純電動(dòng)模式行駛過(guò)程中，車速與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如下：

[n=3ui0.377r]???????????????????????????? （10）

331 峰值轉(zhuǎn)速

將該重型越野汽車純電動(dòng)模式最高車速指標(biāo)代入式（10），計(jì)算可得電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速[nmax]應(yīng)大于1 5583 r/min。

332 額定轉(zhuǎn)速

將該重型越野汽車純電動(dòng)模式額定車速指標(biāo)代入式（10），計(jì)算可得電機(jī)額定轉(zhuǎn)速[ne]應(yīng)大于9842 r/min。

34 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求具有重量輕、體積小、高效率、高可靠性等特點(diǎn)。目前電動(dòng)汽車常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要為永磁同步電機(jī)及交流異步電機(jī)兩種。永磁同步電機(jī)具有較高的比功率、體積更小、質(zhì)量更輕、輸出轉(zhuǎn)矩更大。其低速高效率特性適合越野汽車在越野路面低速行駛的使用要求，同時(shí)具有優(yōu)異的制動(dòng)性能，可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收，增加汽車純電動(dòng)模式續(xù)駛里程。因此選用永磁同步電機(jī)作為該重型越野汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其具體參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

[項(xiàng)目????? 峰值?????? 額定?????? 功率，kW????? 200? 100? 扭矩，N·m? 2 100????? 930? 轉(zhuǎn)速，r/min?? 3 000????? 1 078????? ]

4 動(dòng)力電池組參數(shù)計(jì)算分析

41 動(dòng)力電池組功率計(jì)算

動(dòng)力電池功率要能滿足加速時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車的功率要求，考慮轉(zhuǎn)向器、空壓機(jī)、熱管理系統(tǒng)等附件損耗功率后，應(yīng)大于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的需求功率，即：

[Pb≥Pmax+Pa]???????????????????????? （11）

式中，[Pb]為動(dòng)力電池功率；[Pa]為附件損耗功率，取30 kW。

根據(jù)式（11）計(jì)算可得，電池功率至少應(yīng)大于230 kW。

42 動(dòng)力電池組能量計(jì)算

動(dòng)力電池儲(chǔ)存的能量越多，汽車純電動(dòng)續(xù)駛里程就越長(zhǎng)，動(dòng)力電池能量計(jì)算公式如下：

[EbΔsoc≥0t1Pmηmηbddt+0t2Paηaηbddt-0t3Pgηbcdt]?????? （12）

式中，[Eb]為動(dòng)力電池能量；[Δsoc]為動(dòng)力電池荷電狀態(tài)，為防止過(guò)放取值為08；[Pm]為電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率；[Pg]為再生制動(dòng)功率；t1、t2、t3分別為電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)間、附件工作時(shí)間、再生制動(dòng)能量回收時(shí)間；[ηm]、[ηbd]、[ηa]、[ηbc]分別為電機(jī)效率、電池放電效率、附件效率、電池充電效率。

在保守計(jì)算動(dòng)力電池能量時(shí)，若不考慮能量回收效果，式（12）可簡(jiǎn)化為：

[Eb≥pmΔSOCSue]????????????????????????????? （13）

式中，[S]為純電續(xù)駛里程；[ue]為純電行駛車速。

將表3純電動(dòng)模式下續(xù)駛里程、車速指標(biāo)及表4選定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)代入式（13），計(jì)算可得動(dòng)力電池組能量應(yīng)大于2083 kW·h。

43 動(dòng)力電池組容量計(jì)算

動(dòng)力電池組容量[Q]的計(jì)算公式為：

[Q≥1 000EbU]?? ?????????????????????????（14）

式中，[U]為動(dòng)力電池組額定電壓，與電機(jī)控制器額定輸入電壓相等，目前重型汽車主流的系統(tǒng)電壓一般為450～750 V，本方案選取580 V高壓系統(tǒng)。根據(jù)式（14）計(jì)算得到動(dòng)力電池組容量應(yīng)大于3592 A·h。

44 動(dòng)力電池組重量體積計(jì)算

目前混合動(dòng)力汽車可選的動(dòng)力電池類型主要有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。其中鋰離子電池在能量密度方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，且充放電循環(huán)壽命和充放電效率較高，主流混動(dòng)汽車一般均首選鋰離子動(dòng)力電池。為提高電池安全性，便于維修更換，重型車用大容量動(dòng)力電池組一般采用模塊化設(shè)計(jì)，將大容量電池組分割為多個(gè)獨(dú)立的電池箱。本方案選用的單體電池箱參數(shù)如表5所示。

為不降低上裝系統(tǒng)性能指標(biāo)，對(duì)該重型越野汽車電動(dòng)化改裝時(shí)，在上裝部分增加專門驅(qū)動(dòng)底盤電機(jī)的動(dòng)力電池組。同時(shí)，該電池組可用上裝自帶的柴油發(fā)電機(jī)充電，多余的電能也可為上裝補(bǔ)充能源。根據(jù)底盤純電動(dòng)模式行駛能量需求，應(yīng)加裝8個(gè)表5所示的單體電池箱，質(zhì)量約1 680 kg。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某重型越野汽車提出了基于并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的底盤與上裝一體化電動(dòng)改裝方案，通過(guò)理論計(jì)算，選定了動(dòng)力系統(tǒng)主要元件。為滿足該重型越野汽車在純電工況下轉(zhuǎn)向及制動(dòng)功能，還需要加裝電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)及電動(dòng)空壓機(jī)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)估算汽車電動(dòng)改裝部分增加的質(zhì)量約2 600 kg，改裝后汽車總質(zhì)量為20 600 kg，未超出整車最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量限值，方案可行。

參考文獻(xiàn)：

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[2]余志生汽車?yán)碚揫M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

作者簡(jiǎn)介：

王凱，男，1990年生，工程師，研究方向?yàn)檎噭?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。