基于某燃油載貨車的油改電方案設(shè)計及改制

李威華 劉曉峰

比亞迪汽車工業(yè)有限公司 廣東深圳 518112

1 前言

在能源危機(jī)和環(huán)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(nèi)各大科研機(jī)構(gòu)和高等院校紛紛致力于開發(fā)清潔能源汽車，新能源汽車獲得了長足發(fā)展。

美國某快遞公司目前正積極推進(jìn)和采購新能源車，已有12%（約1 300輛）的傳統(tǒng)動力車輛被置換為天然氣車輛，已購置約2 000輛丙烷驅(qū)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(diǎn)發(fā)展電動卡車，目前已向不同供應(yīng)商采購超過100臺純電動物流載貨車展開試運(yùn)營。

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

2 現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)

目前有一種微型純電動物流車，該車型利用微卡底盤進(jìn)行改裝，動力電池組由一個大電池包，兩個小電池箱構(gòu)成，車載充電機(jī)與DC/DC作成集成式結(jié)構(gòu)，構(gòu)成集成元器件，可使電動物流車具有高續(xù)駛里程，行駛安全穩(wěn)定、車載能力大的優(yōu)越性能。

但是，高續(xù)駛里程純電動物流車結(jié)構(gòu)布置的不足之處在于：a.該車型是在微卡底盤基礎(chǔ)上改裝，不適用于中型卡車底盤，中型卡車底盤需重新設(shè)計；b.該車型的電池箱、驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)控制器、高壓配電盒及集成元器件這些質(zhì)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(tài)下，整車的軸荷分配存在不合理的風(fēng)險，后軸荷偏大，易造成輪胎異常磨損，安全系數(shù)降低；c.該車型的驅(qū)動電機(jī)是通過傳動軸與后橋連接，其與傳統(tǒng)前置后驅(qū)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(fā)動機(jī)為動力源的傳統(tǒng)中型燃油物流車的不足之處在于：a. 發(fā)動機(jī)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(huán)境和人也造成影響，使人易感到煩躁；b.發(fā)動機(jī)的排放物對環(huán)境影響大；c.發(fā)動機(jī)的能源利用率低，傳動系統(tǒng)復(fù)雜，損耗大，加劇了能源危機(jī)和環(huán)境污染；d. 傳統(tǒng)物流車油耗大，使用成本高。

3 產(chǎn)品開發(fā)需求及總布置方案

3.1 產(chǎn)品開發(fā)需求

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

表1 原車技術(shù)參數(shù)

表2 純電動載貨車設(shè)計目標(biāo)

3.2 總布置方案

在保持現(xiàn)有傳統(tǒng)燃油車軸距不變情況下，采用單電機(jī)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(jī)集成橋增加P擋駐車功能，滿足美國當(dāng)?shù)赜密嚵?xí)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(xù)駛里程需求；車內(nèi)暖風(fēng)系統(tǒng)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(fēng)功能正常使用；增加高壓電控系統(tǒng)，保留原車車身、制動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)（不含驅(qū)動橋）、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（更換動力源）不變，以及其余主配置保持與原車一致，提高產(chǎn)品通用性，減少開發(fā)成本。

根據(jù)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(jī)控制器、單電機(jī)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(guān)、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(cè)。如圖1、2所示。

4 各系統(tǒng)關(guān)鍵產(chǎn)品參數(shù)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(jī)功率，kW；m為車輛總質(zhì)量；f為滾動阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；AA為迎風(fēng)面積；ρ為空氣密度；VV為車輛運(yùn)行速度，汽車與空氣的相對速度為Va（ 風(fēng)速為0時V V=Va） 。常用的系數(shù)定義可參考參考文獻(xiàn)[8]。

最高車速是考量汽車性能的重要指標(biāo)。汽車在達(dá)到最高車速時，車輛的驅(qū)動力與行駛阻力達(dá)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(jī)的最高功率平衡方程為：

式中，Pmmax為電機(jī)最大功率，kW。

在某一車速下電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩需求為（忽略坡道及加速阻力）：

式中，Tm為 電動機(jī)轉(zhuǎn)矩，Nm；γ為動態(tài)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(shù)定義同上。

車輛最大爬坡度指的是滿載狀態(tài)下，車輛以10 km/h 運(yùn)行勻速爬坡能力。電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩需求為：

式中，Tmmax為電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩。

4.1.2 傳動比選擇

電動機(jī)具有很大的啟動轉(zhuǎn)矩，具有低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率的特點(diǎn)，能夠根據(jù)車輛需求輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)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(jī)后，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與最大轉(zhuǎn)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(jī)最高轉(zhuǎn)速，r/min。

b.最大傳動比的選擇：

式中,famax為最大爬坡狀態(tài)下的行駛阻力。

4.1.3 單電機(jī)集成橋

在傳統(tǒng)燃油動力車輛基礎(chǔ)上，將變速箱、傳動軸及后橋拆卸下來，采用單電機(jī)集成橋、P擋控制器及TCU控制器。單電機(jī)集成橋集成了驅(qū)動電機(jī)、兩擋自動變速箱自動電液換擋控制模塊、后橋及P擋鎖機(jī)構(gòu)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(jīng)濟(jì)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(huán)保、抗銹、優(yōu)良的導(dǎo)熱性、易于機(jī)加工，同時省去此處的傳動軸，節(jié)約制造成本及降低車輛的故障率。單電機(jī)集成橋的電機(jī)、變速箱參數(shù)如表3、4所示。

圖3 單電機(jī)集成橋前視圖

圖4 單電機(jī)集成橋俯視圖

表3 單電機(jī)集成橋電機(jī)參數(shù)

4.1.4 動力電池組參數(shù)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(lián)后串聯(lián)的方式組成。電池組的總電壓取決于電機(jī)控制器的輸入電壓范圍，電池組的總?cè)萘縿t取決于整車性能要求，既包括加速性能又包括續(xù)駛里程。

a.由加速性能選擇單體電池數(shù)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(jī)工作效率；ηe c為電機(jī)控制器工作效率。

b.由續(xù)駛里程選擇單體電池數(shù)量

式中，S為設(shè)計續(xù)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(tǒng)燃油動力車輛基礎(chǔ)上，將發(fā)動機(jī)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(shí)時監(jiān)測動力電池的運(yùn)行工作狀態(tài)，包括電池充放電過程的電流、電壓、溫度等參數(shù)，使電池處于良性工作狀態(tài)，保證車輛可靠運(yùn)行。

動力電池在底盤中是質(zhì)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(qiáng)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(xù)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(nèi)側(cè)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(qiáng)度要求；左、右電池包分別布置在車架中前部外兩側(cè)，也利用車架大梁固定電池包的托架以保證安裝強(qiáng)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(tǒng)

4.2.1 整車電控系統(tǒng)組成

根據(jù)功能實(shí)現(xiàn)的不同，整車電控系統(tǒng)主要分為電池充放電控制系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)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(jī)控制器等控制模塊實(shí)現(xiàn)，保證電池正常的充放電過程，充電方式采用交流充電。電機(jī)控制功能主要由整車控制器和雙向逆變充放電電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)，保證電機(jī)正常的動力輸出。輔助控制系統(tǒng)主要三合一控制器組成，主要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向電機(jī)控制、空氣壓縮機(jī)控制、DC-DC控制等功能。

圖7 整車電控系統(tǒng)組成

4.2.2 驅(qū)動電機(jī)控制器

選用額定功率為180 kW的驅(qū)動電機(jī)控制器，滿足單電機(jī)集成橋的最大功率需求。

4.2.3 DC與輔助電機(jī)控制器

此控制器集成轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器和DC-DC變換器功能。轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器額定功率為5 kW，峰值功率10 kW，滿足轉(zhuǎn)向電機(jī)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(zhuǎn)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(guān)、高壓保險等在動力電池進(jìn)行充電或放電時接通相應(yīng)充放電回路，并集成預(yù)充電阻、霍爾電流傳感、燒結(jié)檢測光耦等器件協(xié)助驅(qū)動電機(jī)控制系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和DC與輔助電機(jī)控制系統(tǒng)完成預(yù)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(diào)系統(tǒng)

4.3.1 暖風(fēng)系統(tǒng)

由于傳統(tǒng)燃油動力車輛的發(fā)動機(jī)被拆卸下來，暖風(fēng)系統(tǒng)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(fù)荷計算選用額定功率為6 kW的PTC加熱器，滿足駕駛室熱負(fù)荷4.5 kW的需求。暖風(fēng)箱體仍舊使用原車的箱體不變。

4.3.2 制冷系統(tǒng)

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

4.4 冷卻系統(tǒng)

4.4.1 底盤冷卻系統(tǒng)

底盤冷卻系統(tǒng)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(jī)控制器、驅(qū)動電機(jī)控制器、驅(qū)動電機(jī)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(jīng)過冷卻系統(tǒng)回水管進(jìn)入散熱器（1個）進(jìn)行降溫；電子風(fēng)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(fā)到大氣中；最后冷卻液經(jīng)過散熱器出水管回到水泵，如此進(jìn)行不斷的循環(huán)；在此過程中，系統(tǒng)中殘留的氣體可以通過散熱器進(jìn)水口設(shè)置的排氣口以管路連接進(jìn)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(jìn)行補(bǔ)充。具體的冷卻循環(huán)回路如圖8所示。

圖8 底盤冷卻循環(huán)回路

4.4.2 動力電池冷卻系統(tǒng)

動力電池冷卻系統(tǒng)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(jìn)行降溫，然后泵入三個電池模組中，冷卻液從電池包內(nèi)部水路流過時吸收熱量而升溫，后經(jīng)過冷卻系統(tǒng)回水管回到水泵。板式換熱器通過空調(diào)冷媒的輸入進(jìn)行熱交換。在冷卻過程中，系統(tǒng)中殘留的氣體可以通過通過管路中設(shè)置的排氣口以管路連接進(jìn)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(jìn)行補(bǔ)充。具體的冷卻循環(huán)回路如圖9所示。

圖9 動力電池包冷卻循環(huán)回路

4.4.3 冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵零部件選型

根據(jù)散熱器散熱面積、電子風(fēng)扇風(fēng)量、電動水泵流量及膨脹水箱容積的計算結(jié)果及各個零部件的性能參數(shù)，可以得到表5、6的結(jié)論，可見底盤及動力電池冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵零件選型滿足使用要求。

表5 底盤冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵零部件選型結(jié)論

表6 動力電池冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵零部件選型結(jié)論

4.5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

保留原車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整體方案，采用轉(zhuǎn)向電機(jī)油泵作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力源，根據(jù)轉(zhuǎn)向器內(nèi)部參數(shù)，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(zhuǎn)向電機(jī)油泵，滿足需求。

4.6 其余系統(tǒng)

制動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、車身及駕駛室線束保留原車方案，其中車架孔位根據(jù)實(shí)際情況補(bǔ)焊及開孔，盡量借用原車孔位；車架橫梁在滿足強(qiáng)度前提下根據(jù)動力電池包布置調(diào)整以及新增橫梁；后板簧U型螺栓根據(jù)單電機(jī)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(fā)設(shè)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(tǒng)進(jìn)行建模，設(shè)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(jìn)行車輛空載、半載、滿載狀態(tài)下的各項(xiàng)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(jī)模塊、行駛阻力模塊、換擋模塊等進(jìn)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(qū)動電機(jī)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(qū)動電機(jī)外特性曲線

5.2 仿真動力性結(jié)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(jié)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(jié)果

5.3 續(xù)駛里程分析

根據(jù)客戶載貨物流車的在美國路況運(yùn)行特點(diǎn)，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(huán)工況（UDDS）下的續(xù)駛里程，仿真結(jié)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(shí)車測試驗(yàn)證

6.1 主要參數(shù)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(shù)據(jù)以及現(xiàn)有微型純電動物流車的數(shù)據(jù)對比如表9、10所示。

表9 動力經(jīng)濟(jì)性參數(shù)對比

表10 動力電池及充電參數(shù)對比

通過表9、10可以看出，經(jīng)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(xù)駛里程的前提下，解決了改裝前燃油車噪聲大，環(huán)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(xiàn)有的微型純電動物流車提高了動力性能和續(xù)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(tài)下軸荷分配相差不大，在允許變動的范圍內(nèi)，說明質(zhì)量較大的關(guān)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(xiàn)有微型純電動物流車在滿載的狀態(tài)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(shù)會降低的問題。

7 結(jié)語

在傳統(tǒng)能源載貨車基礎(chǔ)上進(jìn)行純電動載貨車的研發(fā)改制，主要研究了中型載貨車純電驅(qū)動改裝的設(shè)計方案，基于客戶載貨物流車底盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行了動力系統(tǒng)純電驅(qū)動改裝的匹配設(shè)計，并對轉(zhuǎn)向、冷卻、空調(diào)及電控系統(tǒng)關(guān)鍵零部件選型。根據(jù)整車設(shè)計目標(biāo)的要求，通過車輛動力學(xué)計算，確定了驅(qū)動電機(jī)、動力蓄電池系統(tǒng)的主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)類型。在Matlab軟件內(nèi)，對改裝后的純電動載貨車進(jìn)行了動力學(xué)建模，依托這個模型，對改裝后的純電驅(qū)動載貨車進(jìn)行了性能仿真。仿真結(jié)果及實(shí)車測試數(shù)據(jù)表明:在不影響改裝前車輛的動力性下，解決了傳統(tǒng)燃油車和微型純電動物流車技術(shù)缺點(diǎn)的問題，并且滿足客戶運(yùn)營路況及續(xù)駛里程要求，整個改制匹配設(shè)計方案是可行的。