電輔助驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究

申伶，趙化剛，陳沖

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

1 緒論

隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，且已經(jīng)成為人類社會(huì)共同面臨的兩大難題。在我國(guó)，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源的需求和消耗也在迅速擴(kuò)大，使國(guó)家的能源安全和環(huán)境問題受到巨大挑戰(zhàn)，解決資源與環(huán)境的問題尤為迫切，并且隨著人們生活水平地提高，車輛保有量也在逐年增加，更加劇了能源的消耗和環(huán)境的污染[1]。作為由傳統(tǒng)燃油向純電動(dòng)過渡的產(chǎn)物，由電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)組成的混合動(dòng)力車輛是近年來發(fā)展的重點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)解決續(xù)駛里程短的問題，電機(jī)緩解能耗和排放問題，既可以在非行車時(shí)利用外界充電網(wǎng)絡(luò)對(duì)電池進(jìn)行充電，也可以在行車時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)和制動(dòng)能量對(duì)電池充電，因此相比純電動(dòng)車輛，能較好地改善純電動(dòng)車輛續(xù)駛里程短的問題[2-3]。根據(jù)能量流動(dòng)形式的不同，目前混合動(dòng)力車輛動(dòng)力傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式三種。

近年來國(guó)內(nèi)對(duì)公路車輛的超限檢查力度進(jìn)一步加強(qiáng)，多拉快跑的運(yùn)輸模式將成為歷史。車輛總質(zhì)量被嚴(yán)格限制后，如何提升燃油有效利用率成為關(guān)注重點(diǎn)，因此底盤輕量化需求成為必然，在法規(guī)規(guī)定總質(zhì)量一定的情況下，更輕的整備質(zhì)量既可以減少整車空載工況燃油消耗，也可以運(yùn)輸更多貨物質(zhì)量，即運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性更好。

此外，國(guó)家對(duì)車輛使用性能及安全性要求更高，如GB1589-2016中對(duì)驅(qū)動(dòng)軸軸荷占比的規(guī)定[4]，GB7258-2017中對(duì)前轉(zhuǎn)向軸軸荷占比和行車制動(dòng)力、駐車制動(dòng)力的規(guī)定等[5]。傳統(tǒng)車輛對(duì)于軸荷無(wú)法直接控制，而空氣懸架車輛在應(yīng)用電控系統(tǒng)后，對(duì)一定載荷工況下的車輛軸荷進(jìn)行調(diào)整，保證了車輛具備一定的驅(qū)動(dòng)性能、脫困能力和安全性等。

高速物流牽引車主要用于日用百貨、工業(yè)用品、冷鏈及設(shè)備等零擔(dān)運(yùn)輸，路況以高速和國(guó)道為主，年行駛里程為15萬(wàn)公里～30萬(wàn)公里，用戶對(duì)運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性影響因素關(guān)注度較高，包括油耗、輪胎損耗和整備質(zhì)量等。本文通過討論一種第二軸采用傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)橋作為主驅(qū)動(dòng)、第三軸采用電驅(qū)動(dòng)橋作為輔助驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)混動(dòng)三軸車型方案，結(jié)合提升軸空氣懸架控制策略，使方案車型具有比傳統(tǒng)雙后軸驅(qū)動(dòng)車型更優(yōu)的運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性。

2 承載與驅(qū)動(dòng)型式

目前，用于高速物流運(yùn)輸?shù)臓恳囍饕捎?×2和6×4兩種驅(qū)動(dòng)型式，為提高運(yùn)營(yíng)收益，牽引車宜采用6×4驅(qū)動(dòng)型式，但常規(guī)雙后驅(qū)動(dòng)軸6×4牽引車整備質(zhì)量較大，一定程度上削弱了運(yùn)營(yíng)收益。

并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力與電機(jī)動(dòng)力完全分開驅(qū)動(dòng)不同的驅(qū)動(dòng)軸，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)通過疊加機(jī)械能的方式，共同驅(qū)動(dòng)或者各自獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛行駛。在并聯(lián)混合動(dòng)力中，按車輛的驅(qū)動(dòng)模式又可以分為：驅(qū)動(dòng)力復(fù)合式、轉(zhuǎn)矩復(fù)合式和轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)合式三種[6]，其中驅(qū)動(dòng)力復(fù)合式見圖1，兩個(gè)動(dòng)力源之間沒有直接的能量交換與流動(dòng)，分別驅(qū)動(dòng)各自連接端的車軸，車輛既可工作在雙驅(qū)模式，也可分別工作在純發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)或純電動(dòng)狀態(tài)。

圖1 基本結(jié)構(gòu)

圖2 擴(kuò)展結(jié)構(gòu)

參考圖1所示驅(qū)動(dòng)力復(fù)合并聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，目標(biāo)車型采用圖2所示三軸承載及混合驅(qū)動(dòng)方案，第二軸采用常規(guī)驅(qū)動(dòng)橋，第三軸采用隨動(dòng)軸加電驅(qū)動(dòng)橋方式，電機(jī)作為輔助動(dòng)力源，在車輛驅(qū)動(dòng)力不足時(shí)提供輔助驅(qū)動(dòng)力。另外，減少傳統(tǒng)6×4車型發(fā)動(dòng)機(jī)功率，將電機(jī)動(dòng)力作為大負(fù)載工況下的動(dòng)力補(bǔ)充，可減少車輛在單發(fā)動(dòng)機(jī)行駛工況下的油耗。

3 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案

3.1 電驅(qū)橋結(jié)構(gòu)

為減輕系統(tǒng)重量，電驅(qū)軸宜采用中央電機(jī)集成結(jié)構(gòu)，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置于驅(qū)動(dòng)軸的主減箱后，主減速器集成輪間差速器裝置。

3.2 車輛布置形式

該電輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以有兩種布置形式，一種是機(jī)械驅(qū)動(dòng)橋在前，電驅(qū)動(dòng)橋在后的布置方案，該方案中電驅(qū)動(dòng)橋采用中央電機(jī)布置形式，如圖3所示。另一種是電驅(qū)動(dòng)橋在前，機(jī)械驅(qū)動(dòng)橋在后的布置方案，如圖4所示，該方案中電驅(qū)動(dòng)橋采用輪邊電機(jī)的布置形式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)位于電驅(qū)動(dòng)橋的兩邊，同時(shí)為使后橋的傳動(dòng)軸布置方便，電驅(qū)動(dòng)橋的軸管中部需下沉或上彎以避開傳動(dòng)軸。

圖3 布置形式一

圖4 布置形式二

4 運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性

4.1 使用經(jīng)濟(jì)性

常規(guī)驅(qū)動(dòng)軸與電驅(qū)軸懸架均采用空氣懸架，電驅(qū)功能激活后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力成為傳統(tǒng)動(dòng)力源的補(bǔ)充；空載范圍段，電驅(qū)軸提起后可減少輪胎滾阻及輪胎損耗、減少電驅(qū)軸內(nèi)部傳動(dòng)磨耗、提高驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)性能。作為提高燃油經(jīng)濟(jì)性的有效手段之一，輕量化是在車輛系統(tǒng)開發(fā)中必須考慮的因素，與現(xiàn)有6×4常規(guī)公路牽引車相比，采用本文方案驅(qū)動(dòng)型式，底盤重量將大幅降低，運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性得到提升。

4.2 燃油經(jīng)濟(jì)性

根據(jù)電輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式和控制策略，在Advisor中搭建了傳統(tǒng)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性仿真模型和電輔助驅(qū)動(dòng)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性仿真模型，同時(shí)制定仿真CYC-HWFET行駛工況并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整，之后進(jìn)行了油耗仿真分析，分析結(jié)果顯示，電輔助驅(qū)動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)多數(shù)工況下工作在較為高效的區(qū)域，因此其燃油經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

5 結(jié)論

本文通過分析現(xiàn)有常規(guī)6×4公路牽引車型的懸架和驅(qū)動(dòng)軸布置方式以及法規(guī)對(duì)于列車總質(zhì)量和驅(qū)動(dòng)形式的規(guī)定，借鑒了并聯(lián)式混合動(dòng)力布置形式中 驅(qū)動(dòng)力復(fù)合式布置方式，開發(fā)了一種全新的6×4驅(qū)動(dòng)模式，采用這種驅(qū)動(dòng)方案，可達(dá)到減少車輛整備質(zhì)量、減少輪胎損耗和降低燃油消耗等目的，最終提升車輛運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性。