新能源動(dòng)力技術(shù)在中輕卡車上的應(yīng)用

袁宏明

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

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新能源動(dòng)力技術(shù)在中輕卡車上的應(yīng)用

袁宏明

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

結(jié)合中輕卡產(chǎn)品的實(shí)際使用特點(diǎn)以及新能源電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的技術(shù)分類，分析了國(guó)家政策與現(xiàn)有新能源中輕卡產(chǎn)品的發(fā)展關(guān)系，并對(duì)新能源動(dòng)力總成在中輕卡平臺(tái)的應(yīng)用發(fā)展情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)，新能源中輕卡產(chǎn)品未來(lái)將主要以純電動(dòng)、增程式和燃料電池三種路線并存發(fā)展。

新能源；電動(dòng)汽車；中輕卡

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.040

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-114-04

前言

作為能源消費(fèi)大國(guó)，我國(guó)每年需進(jìn)口3億噸汽柴油，石油對(duì)外依存度已達(dá)60%，同時(shí)由于大量燃燒化石燃料，又在全國(guó)大范圍地區(qū)引發(fā)了嚴(yán)重的空氣質(zhì)量問(wèn)題，因此不論是從國(guó)家戰(zhàn)略安全方面還是環(huán)境保護(hù)持續(xù)發(fā)展角度考慮，發(fā)展新能源都已成為必然趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)近20年的積累，我國(guó)新能源汽車已進(jìn)入爆發(fā)式增長(zhǎng)期。以貨車產(chǎn)品為例，2015年該類新能源汽車共銷售1.6萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)14倍，其中中輕卡產(chǎn)品占比為47%。未來(lái)在行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、節(jié)能減排壓力、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型以及國(guó)家鼓勵(lì)政策等多方面因素的綜合驅(qū)動(dòng)下，中輕卡作為貨車領(lǐng)域的重要組成，將有更多的新能源產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。目前新能源汽車的動(dòng)力總成類型較多且各自特點(diǎn)不同，因此需綜合各種動(dòng)力總成系統(tǒng)的特點(diǎn)，并結(jié)合中輕卡產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用選擇相適應(yīng)的技術(shù)路線。

1、中輕卡產(chǎn)品特點(diǎn)

中輕卡車是指總質(zhì)量在1.8-14t的載貨汽車。作為我國(guó)貨物運(yùn)輸?shù)闹匾M成，中輕卡產(chǎn)品有以下特點(diǎn)：

1.1使用范圍廣，適應(yīng)能力強(qiáng)

我國(guó)中輕卡的使用環(huán)境廣闊，農(nóng)村和城市都有應(yīng)用。由于生產(chǎn)廠家對(duì)產(chǎn)品不斷進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，中輕卡能夠更好的應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)復(fù)雜的地理環(huán)境。因此其適用范圍主要為市內(nèi)和城郊之間，當(dāng)天返回，還有小部分往返于省內(nèi)城市和農(nóng)村之間，一天以上返回。

1.2承載能力強(qiáng)，排放性能差

為了滿足顧客對(duì)產(chǎn)品“多拉快跑”的需求，國(guó)內(nèi)中輕卡車在設(shè)計(jì)階段都預(yù)備了過(guò)載能力，以提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)考慮到產(chǎn)品成本以及顧客的接受能力，廠家在產(chǎn)品排放性能方面處于被動(dòng)接受狀態(tài)，目前我國(guó)中輕卡產(chǎn)品排放性能落后于國(guó)外同行。

1.3同質(zhì)化程度高，性能待提升

國(guó)內(nèi)中輕卡在產(chǎn)品的外觀造型及動(dòng)力總成方面的同質(zhì)化現(xiàn)象非常嚴(yán)重。雖然在產(chǎn)品性能方面發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩、駕駛室寬度、外觀造型及舒適化程度等都有了一定程度的提升，但在產(chǎn)品使用可靠性方面受成本及材料的限制，提升速度較慢。

2、新能源汽車動(dòng)力總成技術(shù)路線及國(guó)家補(bǔ)貼政策

2.1新能源汽車動(dòng)力總成技術(shù)路線

我國(guó)按照新能源汽車驅(qū)動(dòng)原理和技術(shù)路線，將其劃分為純電動(dòng)動(dòng)力總成系統(tǒng)、插電(增程)式混合動(dòng)力總成系統(tǒng)和燃料電池動(dòng)力總成系統(tǒng)三類。

2.1.1純電動(dòng)動(dòng)力總成系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車?yán)脛?dòng)力電池作為儲(chǔ)能部件，通過(guò)動(dòng)力電池向電機(jī)提供電能驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。其動(dòng)力總成原理如圖1所示，主要包括動(dòng)力電池及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。動(dòng)力電池部分目前國(guó)內(nèi)通常采用鋰離子電池，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)和電機(jī)-AMT間驅(qū)兩種形式，電機(jī)包括永磁同步和交流異步兩種。

2.1.2插電（增程）式混合動(dòng)力總成系統(tǒng)

以混合動(dòng)力電動(dòng)汽車為基礎(chǔ)，增加可外接充電功能后構(gòu)成了插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)。其動(dòng)力總成由兩個(gè)或多個(gè)能同時(shí)運(yùn)行的單個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)聯(lián)合組成，根據(jù)汽車實(shí)際的行駛狀態(tài)選擇由單個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)或多個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力。按照動(dòng)力傳遞路線可分為增程式動(dòng)力總成和插電式動(dòng)力總成兩種，其中插電式動(dòng)力總成又包括并聯(lián)和混聯(lián)兩種形式。

（1）增程式動(dòng)力總成

圖2　增程式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成原理圖

增程式動(dòng)力總成原理如圖2所示，系統(tǒng)優(yōu)先使用電池，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組作為備用電源，電池電量不足的情況下發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組開(kāi)始工作將電能輸送至直流高壓母線。

（2）插電式-并聯(lián)系統(tǒng)

插電式-并聯(lián)動(dòng)力總成原理如3所示，采用發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩套獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)汽車。系統(tǒng)包含電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)-電機(jī)協(xié)同驅(qū)動(dòng)三種模式。

圖3　插電式-并聯(lián)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成原理圖

（3）插電式-混聯(lián)系統(tǒng)

混聯(lián)動(dòng)力總成系統(tǒng)原理如圖4所示。該動(dòng)力總成系統(tǒng)復(fù)雜程度最高，既包含了增程式動(dòng)力總成原理，又包含了并聯(lián)動(dòng)力總成原理。但混聯(lián)動(dòng)力總成系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模式更加靈活，適應(yīng)性更強(qiáng)，能量效率最高。

圖4　插電式-混聯(lián)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成原理圖

2.1.3燃料電池動(dòng)力總成系統(tǒng)

燃料電池動(dòng)力總成原理如圖5所示，主要由燃料電池反應(yīng)堆、燃料存儲(chǔ)裝置、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力電池組組成，其工作原理與增程式系統(tǒng)一致。

圖5　燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力總成原理圖

2.2新能源卡車補(bǔ)貼政策

我國(guó)在新能源客車及乘用車領(lǐng)域不斷在完善和細(xì)化補(bǔ)貼政策。但卡車領(lǐng)域，至2015年都是只針對(duì)純電動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)貼，且國(guó)家補(bǔ)貼設(shè)定 13.5萬(wàn)元上限，地方補(bǔ)貼通常按 1：1配套，并會(huì)依據(jù)實(shí)地情況進(jìn)行調(diào)整。

3、新能源動(dòng)力技術(shù)在中輕卡車上的應(yīng)用

3.1中輕卡車多選擇的新能源動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)路線

在補(bǔ)貼政策和當(dāng)前技術(shù)發(fā)展條件限制下新能源卡車產(chǎn)品主要面向城市物流和市政環(huán)衛(wèi)領(lǐng)域，分別占比75%和21%，其中總質(zhì)量在1.8-3t級(jí)的車型占比為53%，4.5t級(jí)車型占比20%，其余為7-8t級(jí)車型。這些產(chǎn)品全部都是純電動(dòng)形式，1.8-3t級(jí)以電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)為主，4.5-8t級(jí)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)和電機(jī)-AMT間接驅(qū)動(dòng)兩種形式并存，表1為兩款產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)。

3.2純電動(dòng)中輕卡主要性能分析

以陜西汽車集團(tuán)有限公司某4.5噸及7噸級(jí)的純電動(dòng)輕型卡車為例，進(jìn)行動(dòng)力性及續(xù)駛里程分析。表1為此兩款車型的主要技術(shù)參數(shù)。

表1　純電動(dòng)載貨車技術(shù)參數(shù)

3.2.1最高車速分析

中輕卡產(chǎn)品在實(shí)際使用過(guò)程中會(huì)存在一定程度的過(guò)載，4.5t和 7t級(jí)車輛實(shí)際使用過(guò)程中總質(zhì)量會(huì)分別達(dá)到 6.5t和10t，因此實(shí)際運(yùn)行條件下車輛的動(dòng)力性指標(biāo)非常關(guān)鍵。車輛在行駛過(guò)程中驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力關(guān)系及功率平衡關(guān)系如式(1) 和(2)所示：

式中：Ttq為電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩(Nm)，ig為變速器速比，i0為主減速比，ηT為傳動(dòng)效率，r為車輪滾動(dòng)半徑(m)，G為車輛總重力(N)，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，i為坡度，CD為風(fēng)阻系數(shù)，A為迎風(fēng)面積(m2)，ua為車速(km/h)，δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，m為車輛質(zhì)量(kg)，Pe為車輛功率(kW)，PA為電附件消耗功率(kW)。

直驅(qū)車型和電機(jī)-AMT間驅(qū)車型電機(jī)的額定特性和峰值特性如圖6所示。

電動(dòng)汽車的最高可持續(xù)車速取決于車輛的行駛阻力與額定驅(qū)動(dòng)力的平衡關(guān)系，根據(jù)式(1)計(jì)算6.5t總質(zhì)量條件下電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)和10t總質(zhì)量條件下電機(jī)-AMT間驅(qū)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡關(guān)系如圖7所示。在給定總質(zhì)量條件下兩套系統(tǒng)的最高車速均不低于80km/h，可滿足城市及城郊運(yùn)行最高速度要求。

圖6　電機(jī)的扭矩輸出特性

圖7　驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡關(guān)系

3.2.2最大爬坡度分析

電動(dòng)汽車的最大爬坡能力取決于電機(jī)的峰值扭矩，根據(jù)式(1)計(jì)算6.5t總質(zhì)量條件下電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)和10t總質(zhì)量條件下電機(jī)-AMT間驅(qū)系統(tǒng)的最大爬坡能力如圖8所示。在給定總質(zhì)量條件下兩套系統(tǒng)均可保證在18%的坡道上起步，均可滿足城市及城郊道路應(yīng)用坡度條件。

3.2.3加速時(shí)間分析

中輕卡產(chǎn)品在市區(qū)運(yùn)行時(shí)需頻繁起停，因此0-30km/h的起步加速性能是評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，6.5t總質(zhì)量條件下電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)和10t總質(zhì)量條件下電機(jī)-AMT間驅(qū)系統(tǒng)的加速時(shí)間如圖9所示，在給定總質(zhì)量條件下兩套系統(tǒng)的加速性能均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)車(10-15S)。

圖9　車輛加速性能

3.2.4續(xù)駛里程分析

電動(dòng)汽車單次充電最大續(xù)駛里程與運(yùn)行車速和載質(zhì)量有關(guān)，圖10所示為6.5t總質(zhì)量條件下電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)和10t總質(zhì)量條件下電機(jī)-AMT間驅(qū)系統(tǒng)在不同車速下所需的電功率以及續(xù)駛里程，在10-40km/h車速區(qū)間內(nèi)里程最長(zhǎng)，表明電動(dòng)車輛更適用城郊中低速工況。

圖10　車輛的速度與功率和里程關(guān)系

4、新補(bǔ)貼政策及產(chǎn)品未來(lái)發(fā)展預(yù)測(cè)

4.12016年補(bǔ)貼政策

2016年國(guó)家針對(duì)新能源卡車提出：純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家將按照每度電1800元進(jìn)行補(bǔ)貼，其他具體細(xì)則尚未出臺(tái)。在2016-2020年間，燃料電池卡車根據(jù)噸位進(jìn)行補(bǔ)貼，輕卡產(chǎn)品國(guó)家補(bǔ)貼30萬(wàn)元，中重卡產(chǎn)品國(guó)家補(bǔ)貼50萬(wàn)元，而純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力卡車將實(shí)行補(bǔ)貼退坡機(jī)制，2017-2018年補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)在2016年基礎(chǔ)上下降20%，2019-2020年補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)在2016年基礎(chǔ)上下降40%。

4.2新產(chǎn)品形式

針對(duì)國(guó)家最新政策，未來(lái)純電動(dòng)中輕卡產(chǎn)品仍然將處于重要位置，在產(chǎn)品改進(jìn)和性能提升方面將成為重點(diǎn)發(fā)展方向。主要體現(xiàn)在車輛輕量化降自重、應(yīng)用高比能量三元電池、智能服務(wù)終端以及降低零部件電耗等方面。

由于國(guó)家針對(duì)輕卡和中重卡燃料電池車輛的補(bǔ)貼差額達(dá)到20萬(wàn)元，外加地方補(bǔ)貼后差異可達(dá)40萬(wàn)，因此在中重卡領(lǐng)域開(kāi)發(fā)燃料電池產(chǎn)品將更具有優(yōu)勢(shì)，未來(lái)將有批量化的燃料電池中卡產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。該類產(chǎn)品將以 7-14t級(jí)純電動(dòng)底盤(pán)為基礎(chǔ)，增加一套15-30kW的燃料電池反應(yīng)裝置，同時(shí)將車輛現(xiàn)有動(dòng)力電池電量減少，以最大化借用國(guó)家補(bǔ)貼政策推動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。

插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)與純電動(dòng)系統(tǒng)差異化較大，其補(bǔ)貼政策又與增程式系統(tǒng)一致。從技術(shù)改造角度增程式系統(tǒng)將更具優(yōu)勢(shì)，為了應(yīng)對(duì)未來(lái)幾年補(bǔ)貼政策的退坡，廠家將在減少電池的同時(shí)加裝增程器解決用戶的里程焦慮，增程式中輕卡產(chǎn)品將在市內(nèi)和城郊冷鏈物流領(lǐng)域得到規(guī)模化應(yīng)用。

5、結(jié)論

新能源中輕卡產(chǎn)品的技術(shù)路線與傳統(tǒng)產(chǎn)品的實(shí)際使用工況以及新能源技術(shù)的實(shí)際發(fā)展現(xiàn)狀相關(guān)，更取決于國(guó)家補(bǔ)貼政策的導(dǎo)向。在國(guó)家最新補(bǔ)貼政策刺激下，未來(lái)純電動(dòng)中輕卡產(chǎn)品的技術(shù)水平將進(jìn)一步得到提升，同時(shí)燃料電池和增程式動(dòng)力總成將成為新能源卡車產(chǎn)品的重要組成。

[1] 陳清泉,孫逢春,祝嘉光.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 2002.

[2] 徐欣. 增程式電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)分析[D].西南林業(yè)大學(xué),2012.

[3] 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心. QC/T759-2006 汽車試驗(yàn)用城市運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán).中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 2006.

Application of the new energy power train technology on light/mid-duty vehicles

Yuan Hongming
( Shannxi Automobile Group Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710043 )

Based on the application characteristics of light/mid-duty vehicle and definition of new energy vehicle, the relationship between national policy and new energy light/mid-duty vehicle in usingis provided. The anticipation of new energy power train for the future development of light/mid-duty vehicle is of that pure electric vehicle, range extended vehicle and fuel cell vehicle will be and develop during same time.

new energy; electric vehicle; light/mid-duty vehicle

袁宏明，就職于陜西汽車控股集團(tuán)有限公司。

U469.7

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1671-7988（2016）06-114-04