混動旅行拖掛車技術(shù)方案綜述

杜慎之

（東風(fēng)小康汽車有限公司，重慶 402247）

前言

眾所周知國家出于長遠發(fā)展戰(zhàn)略考慮，近年來不遺余力地結(jié)合節(jié)能減排推行新能源車的普及，無論在經(jīng)濟和行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略布局上都取得了矚目成果，2019年海南新能源汽車展上國家政協(xié)副主席萬鋼提出將來我國汽車行業(yè)將最終能源定位為氫能源，新能源汽車三縱三橫布局如火如荼完美成形。雖說我國新能源汽車政策布局完整，并不代表著我國汽車行業(yè)已經(jīng)完成轉(zhuǎn)型，畢竟多年來傳統(tǒng)動力汽車積累起來的市場如何向未來新能源動力汽車市場平穩(wěn)過渡，是個必須面對的問題。

至2018年10月底中國私家車保有量已經(jīng)突破1.87億輛，到2019年我國有望超過美國成為全世界第一大私家車保有量國。其實早在2017年時我國已經(jīng)達到每7個人擁有一輛私家車，這就意味著在用私家車數(shù)量初步能夠支撐城市家庭使用需求；再者我國是一個初步發(fā)達國家且經(jīng)濟增長還在持續(xù)，即便在2020年我國的中產(chǎn)階級比例能夠達到20%，綜合一個家庭養(yǎng)老、教育、買房等基礎(chǔ)生活支出，我國家庭對私家車持續(xù)購買力已不如前幾年強勁，而當(dāng)政府退補后新能源車普遍較高的價格讓還未購車的普通用戶很難獨自承擔(dān),轉(zhuǎn)而紛紛選擇傳統(tǒng)動力汽車，故從生態(tài)環(huán)境來說，這造成新能源終端市場還不能形成氣候。從技術(shù)角度來說，新能源汽車尚存在充電時間偏長、續(xù)航里程多數(shù)不如汽油車是現(xiàn)狀，再加上近年來媒體曝光多起新能源車停放后自燃事故，讓人們普遍對新能源汽車持觀望狀態(tài)。即便我國的企業(yè)在新能源汽車電池、電機和電控等技術(shù)方面上取得了不小的進展，且有一定數(shù)量的新能源車企已經(jīng)有部分產(chǎn)品上市并量產(chǎn)，但以上所提及的這些因素還是讓終端市場對新能源接受度不高。已售出和即將售出的傳統(tǒng)汽油車需要新能源來輔助降低排放和油耗、而新興的新能源車企們需要一片肥沃的銷售市場來助長，不可否認，我國汽車行業(yè)轉(zhuǎn)型期需要一個能夠符合長遠發(fā)展戰(zhàn)略和滿足市場需求的綜合技術(shù)方案來搭橋。反觀在前幾年急速膨脹的車市除了讓多數(shù)家庭擁有了車輛外，還助長了汽車自駕旅游文化的熱度，而在國外相當(dāng)繁榮的房車市場在我國來說還很冷門，一套能在房車進行普及的同時，讓現(xiàn)有傳統(tǒng)動力車更接近實際地向混動車輛轉(zhuǎn)變的技術(shù)方案，是在將來氫能源車普及之前傳統(tǒng)動力汽車向新能源汽車轉(zhuǎn)變最好的橋梁也是最適合的技術(shù)方案。

綜上所述，本文將介紹現(xiàn)階段汽車動力轉(zhuǎn)型期，提出用混動旅行拖掛車技術(shù)方案，最終兼顧降低傳統(tǒng)動力車輛排放、油耗并打開家用車房車市場目標，建立汽車傳統(tǒng)動力向新能源動力過渡的橋梁。該技術(shù)方案針對主機廠在研和已上市存量SUV進行設(shè)計，讓家用存量SUV汽車成為用戶生活必需品。

1 混動旅行拖掛車簡介

將傳統(tǒng)動力汽車作為牽引車，用特別設(shè)計的多用途脫鉤將混動旅行車拖掛車與牽引車實現(xiàn)硬連接，拖掛車通過液壓鋼帶傳力臂將其中純電動力傳遞于牽引車后輪，實際上是將一輛前驅(qū)傳統(tǒng)動力汽車，變?yōu)榱嘶炻?lián)式混動四驅(qū)車，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其混聯(lián)結(jié)構(gòu)類似混動P4結(jié)構(gòu)其簡圖如圖2所示[1]。

圖1 混動旅行拖掛車與牽引車整體視圖

圖2 混動旅行拖掛車混聯(lián)結(jié)構(gòu)簡圖

早在國六法規(guī)排放[2]和第四階段油耗將要實施的風(fēng)聲放出時，國內(nèi)不少車企已經(jīng)研發(fā)或者開始研發(fā)基于其傳統(tǒng)動力汽油車為基礎(chǔ)的混合動力汽車，為的就是能夠通過排放檢測和油耗測試拿到車輛產(chǎn)品的公告資質(zhì)，用戶也期待混動車輛能夠提高其經(jīng)濟性。

不過現(xiàn)在國內(nèi)混動車輛對于車企和消費者來說存在如表1所列的普遍問題，一定程度上影響了混合動力車的普及，也影響到了我國傳統(tǒng)動力汽車向新能源動力汽車轉(zhuǎn)型的前進步伐。

表1 在汽油車基礎(chǔ)上進行混合動力改制所產(chǎn)生的難點及原因分析

為了有效解決以上困難，混動旅行拖掛車的技術(shù)方案將新能源動力搭載一個小型拖掛車中并置于原有傳統(tǒng)動力車輛后部，該小型拖掛車尺寸需要保證即便加上牽引車也能停到常規(guī)停車位中，并能通過特殊設(shè)計的鋼帶及其載體將新能源動力傳遞給傳統(tǒng)動力牽引車后輪，這樣和牽引車建立合理CAN網(wǎng)絡(luò)通訊和根據(jù)實際需求工況進行標定匹配后，既避免了傳統(tǒng)動力車改混動時的弊病又將新能源動力在這樣組合后可以隨相應(yīng)控制模塊成本和技術(shù)更新做到柔性調(diào)整；如圖3所示為混合動力旅行車拖掛箱中新能源純電部分布置，圖4所示為其專屬設(shè)計的高適應(yīng)性硬連接拖掛鉤[3]。

圖3 拖掛箱新能源純電布置示意

圖4 高適應(yīng)性硬連接拖掛鉤

拖掛車也將房車最基本的烹飪、上廁所、洗衣及烘干、睡眠、影音娛樂等功能匯聚其上，讓用戶在感受新能源帶來的動力變遷的同時，也將房車生活真正引進我國擁有私家車家庭之中。圖5為混動旅行拖掛車房車功能部分示意圖，圖6為行駛充電功能機械部分示意圖[4]。

以上示意圖包含：載體箱（1）、整車控制器（2）、電機控制器（3）、電池箱（4）、電機及單檔減速器總成（5）、動力輸出軸（6）、衣物甩干桶（7）、影音播放器（8）、燃氣灶具（9）、后蓋板（10）、簡易廁所（11）、汽車尾氣通過箱（12）、連接軟管（13）、冷卻液循環(huán)腔（14）、U型管（15）、一扇形齒輪（16）、第一轉(zhuǎn)軸（17）、皮帶（18）、拖鉤（19）、駐車桿（20）、滑輪桿（21）、第一蝸桿（24）、旋轉(zhuǎn)盤（25）、第一渦輪（26）、第二渦輪（27）、帶動盤（28）、長螺釘（29）、連接軸（30）、第二蝸桿（31）、行走輪（32）、空心行走柱（33）、拖鉤（34）、球頭銷（35）、掛鉤（36）、第一連接部（361）、第二連接部（362）、夾緊裝置（37）、螺栓（38）。

圖5 混合動力旅行車房車功能部分示意圖

圖6 混合動力旅行車行駛充電機械部分

圖7 外掛蓋板的切換狀態(tài)

用混動旅行拖掛車方案將已有傳統(tǒng)動力汽車經(jīng)過相對簡單的改造變?yōu)榛旌蟿恿?，降低排放和油耗，宏觀來說實際上將對汽車轉(zhuǎn)型期的經(jīng)濟、技術(shù)改革都起到緩沖作用，延長家用汽油車的使用壽命；房車市場經(jīng)濟也將會得到一定的激勵。除此之外，該方案可通過更換不同外掛蓋板實現(xiàn)多用途隨意切換，如夜市車蓋板或者簡易廁所蓋板，夜市車功能能夠使存量SUV用戶深度參與國家地攤經(jīng)濟中去，而房車功能將醫(yī)療防控功能結(jié)合區(qū)塊鏈應(yīng)用于最基礎(chǔ)家庭健康防控中去。

2 混合動力旅行車動力匹配框架搭建

我國交通法規(guī)定，車長小于6m，車重低于700kg的拖掛車在手續(xù)正常、燈光正常、無安全隱患的前提下，可以上路，只要牽引車拉著拖掛車車速不低于70km/h也可以開上高速路。拖掛車尺寸設(shè)計為第一步。加上要實現(xiàn)能停進5.3m的正常車位，故沿著牽引車方向的長度不超過400mm，并用拖掛行車狀態(tài)收折起來的折疊床作為牽引車和拖掛車之間的緩沖并擋泥。圖8所示為混動旅行拖掛車箱體長寬高、圖9所示為緩沖折疊床展開狀態(tài)圖[5]。

圖8 混動旅行拖掛車箱體尺寸示意圖

圖9 緩沖折疊床展開狀態(tài)及固定板示意圖

以搭載1.8L排量發(fā)動機的家用SUV為例，進行動力搭載匹配，表2為所列舉牽引車的部分相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

從列表所列舉的發(fā)動機參數(shù)可知該款發(fā)動機的峰值扭矩和功率分別為175nm和95kw，再結(jié)合最高車速、百公里加速時間要求、最大爬坡度等要求，得到需要功率和扭矩為220N的永磁同步電機、從而得到需要三元鋰電池總?cè)萘繛?6KWh的電池包，那么拖掛車總的重量就等于電機、減速器、電池包、箱體、傳力臂的重量之和共約600kg。

對于無坡度平滑路勻速設(shè)計車速時驅(qū)動電機推動牽引及拖掛車所需要的總驅(qū)動力先行計算，得出理論穩(wěn)態(tài)工況時所需大概動力Fnzq（N）。

式中：

表2 牽引家用汽油車相關(guān)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)開發(fā)技術(shù)需求，將輸入的百公里加速、百公里加速所用時間等參數(shù)進行計算，得出滿足百公里加速時間需要的電機功率Pz（Kw）。

式中：

Tj——設(shè)計百公里加速時間；

Mt——機械傳動效率；

Vj——汽油車加速度；

Fc——空氣阻力常數(shù)。

得到理論上的滿足百公里加速時間需要的電機功率后，從而通過計算能夠得出理論上滿足百公里加速時間需要的電機扭矩Nbj（N）。

式中：

Nc——轉(zhuǎn)速常數(shù)；

Pz——滿足百公里加速時間需要的電機功率。

根據(jù)開發(fā)技術(shù)需求，將輸入的最大滿載總質(zhì)量、重力加速度、低速爬坡設(shè)定車速、時間常數(shù)、低速爬坡坡度等參數(shù)進行計算，得出低速爬25%坡度所需電機功率Pdpa（Kw）。

式中：Vs：低速爬坡設(shè)定車速

得到理論上低速爬25%坡度所需的電機功率Pdp（Kw）后，結(jié)合預(yù)估的電機最大轉(zhuǎn)速、和轉(zhuǎn)速常數(shù)得到理論上低速爬25%需要的電機扭矩Ndpa。

式中：

Nc——轉(zhuǎn)速常數(shù)；

Pdpa——低速爬25%坡度需要的電機功率；

Ns——設(shè)計最大電機轉(zhuǎn)速。

根據(jù)開發(fā)技術(shù)需求，將輸入的爬坡設(shè)計車速、車輪滾動半徑、傳動比等參數(shù)進行計算得出最大爬坡時電機轉(zhuǎn)速Nzdp（r/min）。

式中：

Rg——車輪滾動半徑；

Io——傳動比。

將輸入的最大總質(zhì)量、滾動阻力系數(shù)、最大設(shè)計爬坡度等參數(shù)進行計算，得到低速爬30%坡度時需求電機功率Pdpb（Kw）。

式中：

Mz——最大設(shè)計總質(zhì)量；

Vs——最大設(shè)計爬坡車速；

Tc——時間常數(shù)。

根據(jù)計算得出的低速爬30%坡度時需求電機功率，結(jié)合計算的最大爬坡時電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速常數(shù)，可以得出低速爬30%坡度需要的電機扭矩：

圖10 混合動力旅行拖掛車及牽引汽油車CAN網(wǎng)絡(luò)部分示意簡圖

通過軟件讀取油門踏板的開度如圖11所示先匹配出車輛的基本駕駛風(fēng)格，再根據(jù)不同工況下的溫度、動力需求、排放WLTC測試循環(huán)、RDE測試等方面對混合動力旅行拖掛車如何與牽引汽油車共同實現(xiàn)需求的駕駛風(fēng)格進行動力綜合實際情況進行修正匹配。傳統(tǒng)汽油車加裝混合動力旅行拖掛車匹配后，整體動力可最大程度讓拖掛車里面的純電部分動力承擔(dān)，這樣WLTC排放工況和NEDC油耗測試工況時，汽油車動力工作程度將縮小，那么降低排放和油耗都是順理成章的事，這和現(xiàn)有新開發(fā)的混合動力車是同一個道理，只不過不會將車重和其他負面作用增加在原有車型中。同時混合動力旅行拖掛車中的行駛充電功能將幫助整體混動車降低△Ereess超標從而影響排放結(jié)果不通過的風(fēng)險。

圖11 油門踏板開度匹配電機和發(fā)動機的各工況下輸出扭矩示意圖

綜上勻速牽引車及拖掛車所需總驅(qū)動力、百公里加速所需電機功率和扭矩、爬25%和30%所需電機功率和扭矩、滿載情況下最大電機設(shè)計轉(zhuǎn)速等計算，得出混動旅行拖掛車匹配牽引汽油基礎(chǔ)車應(yīng)搭載的電機外特性，從而最終選擇電機型號，電機一旦選定，電池包組合計算也相應(yīng)計算從而得到拖掛車所搭載電池包及控制器。加上通過運用如今成熟的車輛CAN網(wǎng)絡(luò)信息連接技術(shù)進行控制軟件標定匹配可以得到的結(jié)論，混合動力旅行拖掛車與牽引傳統(tǒng)汽油車動力匹配實際運用是可行的。

圖12 國六I型排放實驗的WLTC測試工況

3 混合動力旅行拖掛車市場前景預(yù)測

根據(jù)智研咨詢發(fā)布的《2018-2024年中國房車行業(yè)市場現(xiàn)狀分析及投資前景預(yù)測報告》[6]，從2016年到2017年短短兩年，我國房車保有量從48600輛躍升到69432輛，有行業(yè)人士預(yù)測2018年我國房車保有量將會到達100000臺的量級。從銷售方面看，從2016年到2017年，我國房車銷售量從18600輛直逼20832輛，預(yù)計2021年中國房車產(chǎn)量和銷量將迎來大突破。雖然目前由于房車形態(tài)、價格、準駕、上路等條件還將消費群體定為有相當(dāng)經(jīng)濟實力和閑暇時間的小眾人群，不過以上數(shù)據(jù)證明，人們對房車的需求是持續(xù)增長的。今年房車產(chǎn)量及銷量數(shù)據(jù)分析如圖13、14所示。

圖13 2016-2021年中國房車產(chǎn)量走勢分析圖

圖14 2016-2021年中國房車銷量走勢分析圖

而我國近來法定節(jié)假日也針對法定節(jié)假日安排過于集中、傳統(tǒng)節(jié)日缺乏等體現(xiàn)的弊端進行了相應(yīng)改革，比如打散了“五一”長假，將中秋節(jié)等一些我國傳統(tǒng)文化節(jié)日設(shè)為法定節(jié)假日，這樣加上每周的雙休，就形成了多個三天“小長假”，為人們走親訪友，游山玩水提供了時間條件，同時也為混動旅行拖掛車能夠被千家萬戶使用提供了時間條件?？梢姡S房車市場的升溫、人們對生活旅行新的需求多元化、國家對汽車行業(yè)動力轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略規(guī)劃的深入拓展，價格低廉而戰(zhàn)略作用巨大的混合動力旅行拖掛車，將成為大眾的滿意選擇。

圖15 混合動力旅行拖掛車市場前景預(yù)測

而房車營地將是我國大眾房車文化能夠全面鋪開的重要外因，現(xiàn)有的旅游形式即便時間足夠也大多為照相式旅游，即到達景點，下車玩耍照相然后上車離去，因為最終要住宿、要進食，這是最起碼的，而沒有房車營地，只能是來去匆匆；從另一個角度來說，有了房車營地，不僅僅可以進行停車管理，也可以進行商業(yè)化布局，即在房車營地中進行超市、影院、醫(yī)院甚至學(xué)校建設(shè)等，這樣如果在一條線路上進行階段性房車營地布局，那么帶動沿路的旅游經(jīng)濟體系，激活潛在的旅游服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈也是有可能的。

我國的西部有非常廣袤的土地，人口密度相對中東部地區(qū)小很多，而景色也不錯，若能較為有效地對安全路線進行植被和水源建設(shè)，那么慢慢形成房車營地群也是可能的事，這樣除了會極大地帶動沿路經(jīng)濟和打開旅游市場外，也會將擁擠在我國中東部一些可遷移項目往西部地區(qū)進行布局，而額外帶來的人口生活問題，可以通過圍繞混合動力旅行拖掛車建設(shè)房車營地來解決，可以預(yù)見，這樣的方式如能循序漸進地進行，那么我國的西部地區(qū)以后將不再是沙漠或者是無人區(qū)，這些地方有希望變得繁榮興盛起來，甚至對平衡一下我國東西部地區(qū)的發(fā)展狀態(tài)帶來好處。

將混合動力旅行拖掛車的使用和普及作為一個起點，進而結(jié)合旅游資源和需求在合適的地點及時間建設(shè)房車營地，是在我國汽車動力行業(yè)轉(zhuǎn)型期事業(yè)能夠得到兼顧的情況下將利好發(fā)展開來，最終通過解決人們交通工具問題，達到延伸我國自己的汽車文化的目的，可以預(yù)見，未來的5G和區(qū)塊鏈技術(shù)能夠通過混合動力旅行拖掛車這個載體，讓現(xiàn)有眾多的私家車主都能獲得包括一定程度無人駕駛、安全駕車管理和個性化動力匹配的紅利。

（1）在汽車行業(yè)動力轉(zhuǎn)型期，將汽油發(fā)動機動力和新能源純電甚至未來的氫能源結(jié)合起來在車輛上用于驅(qū)動，已是現(xiàn)階段的大勢所趨。

（2）而我國車主擁有的私家車能夠被合理被改造為混合動力車輛，同時賦予其房車基本功能，對減少排放，降低油耗從而改善生存環(huán)境；節(jié)約資源，打開房車市場經(jīng)濟從而助力拉動內(nèi)需；實現(xiàn)合理轉(zhuǎn)型，甚至在讓汽車行業(yè)做到彎道超車是一個各方都希望看到的情況，用混動旅行拖掛車技術(shù)方案讓國家汽車行業(yè)甚至拓展到智能化行業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃能夠深入實現(xiàn)，助力汽車行業(yè)順利轉(zhuǎn)型。