純電動(dòng)輕型載貨車底盤布置及動(dòng)力系統(tǒng)匹配

魏松茂，邱 亮，楊 天

(中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300)

自國務(wù)院發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》以來，中國堅(jiān)持以發(fā)展純電驅(qū)動(dòng)為戰(zhàn)略導(dǎo)向，純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了長足的進(jìn)步，我國也成為了世界汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要力量之一。

2020年，新能源汽車產(chǎn)量為136.6萬輛，同比增長7.5%；銷量為136.7萬輛，同比增長10.9%，都較上年實(shí)現(xiàn)了由負(fù)轉(zhuǎn)正；其中純電動(dòng)汽車產(chǎn)銷分別為110.5萬輛和111.5萬輛，同比分別增長5.4%和1.6%。

商用車全品類產(chǎn)銷分別完成523.1萬輛和513.3萬輛，創(chuàng)歷史新高，且首超500萬輛，產(chǎn)銷同比分別增長20%和18.7%。從細(xì)分車型情況來看，載貨車是推動(dòng)商用車持續(xù)高速增長的主力車型，其中以輕型、重型載貨車增長貢獻(xiàn)明顯［1］。

純電動(dòng)輕型載貨車與純電動(dòng)乘用車相比，布置空間更加寬裕，而且具有靈活多變（冷藏車、灑水車等）、運(yùn)行成本低、適用環(huán)境廣等特點(diǎn)，發(fā)展趨勢良好。本文以某款純電動(dòng)輕型載貨車為研究對象，對其底盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置和動(dòng)力系統(tǒng)匹配研究。

1 整車底盤系統(tǒng)布置

1.1 動(dòng)力電池組布置

純電動(dòng)載貨車動(dòng)力電池組由于體積、質(zhì)量較大，布置時(shí)需要考慮整車通過性、軸荷分配和檢修便利性等問題，參考車型情況，可布置在駕駛室后部縱梁兩側(cè)或中間位置。

動(dòng)力電池組布置還應(yīng)滿足上裝空間的要求，與路面、貨箱底板、線束管路之間要留有足夠的間隙，保證車輛在惡劣路段正常通過；電池箱的連接器側(cè)和高壓維修開關(guān)建議布置在利于檢測和插拔的位置，如有必要，可以加護(hù)板予以保護(hù)。

動(dòng)力電池組與整車需要有可靠的機(jī)械連接，一般可分為兩種，一種是托底方式，另一種是吊裝方式［2］。該車型設(shè)計(jì)的托底方式是通過設(shè)計(jì)開發(fā)的電池包底部固定支架和車架縱梁固定支架將電池包組與車架縱梁相連接，設(shè)計(jì)方案見圖1。吊裝方式是電池包本體自帶吊裝固定耳，將電池包直接與車架預(yù)設(shè)的吊裝安裝孔位進(jìn)行螺接［3］。

兩種方式相比較，托底方式結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，耐久性強(qiáng)，適用范圍廣。對于質(zhì)量較大或含多個(gè)電池包需要分層布置的電池包組，可以根據(jù)不同情況增減固定結(jié)構(gòu)，靈活性較強(qiáng)。對于未來標(biāo)準(zhǔn)化的“換電”趨勢，不同車廠的不同車型應(yīng)用同一型號電池包（組），托底方式的適配性相較于吊裝方式更高。

吊裝方式最大的優(yōu)勢是減少一部分安裝支架，從而減輕了車重，但對于整車輕量化的貢獻(xiàn)程度還需要根據(jù)具體車型具體分析。另外，吊裝方式對于工作環(huán)境要求比較高。

綜合上述兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，本文選擇托底方式進(jìn)行電池包組的布置。

圖1 動(dòng)力電池組托底方式案例圖

1.2 底盤布置

整車的總體平衡是車輛布置的基礎(chǔ)，尤其是底盤布置。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把使用性能放在首位，然后按照制造、維修、外形的順序來考慮。電動(dòng)汽車整車布置應(yīng)配合協(xié)調(diào)，優(yōu)先考慮大三電系統(tǒng)的排布。另外，應(yīng)重點(diǎn)考慮高壓元器件防水、防塵、防火等性能，并符合傳統(tǒng)燃油汽車平臺的風(fēng)格和要求，原各大系統(tǒng)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)不變，調(diào)整控制和驅(qū)動(dòng)元件。

1）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：保留原車型轉(zhuǎn)向機(jī)部分，將轉(zhuǎn)向油路的動(dòng)力源改為電動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵，由轉(zhuǎn)向控制器模塊控制。

2）制動(dòng)系統(tǒng)：保留原制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將原有的空壓機(jī)改為電動(dòng)真空泵，重新計(jì)算匹配，并加裝真空氣管。

3）傳動(dòng)系統(tǒng)：傳動(dòng)系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)同步布置。在確定采用中置后驅(qū)方案后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的布置要使?jié)M載時(shí)傳動(dòng)軸的正常夾角在4°以下，最多不超過8°；當(dāng)量夾角建議小，不大于3°。傳動(dòng)軸一根不宜過長，如有必要可變?yōu)閮筛虚g加支承。

4）行駛系統(tǒng)：由于各系統(tǒng)總布置發(fā)生變化，整車的質(zhì)量與質(zhì)量分布也相應(yīng)發(fā)生改變，需要對懸架參數(shù)重新校核。

1.3 整車質(zhì)心位置

整車質(zhì)量和質(zhì)心位置是結(jié)構(gòu)布置的重要指標(biāo)。質(zhì)心位置的變化會直接影響車輛的制動(dòng)性、操穩(wěn)性和平順性。對于載貨車，整車質(zhì)心位置過高，制動(dòng)時(shí)貨物前傾會使前軸負(fù)荷增加，后軸負(fù)荷減少，使前、后軸制動(dòng)力變得不合理，從而降低汽車制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性。質(zhì)心位置同樣也會影響前后輪的側(cè)偏角，從而影響車輛的操縱穩(wěn)定性。

本方案將動(dòng)力電池組布置在底盤縱梁中部兩側(cè)位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在底盤縱梁中間位置，控制系統(tǒng)布置在底盤前部駕駛室下方（圖2）。經(jīng)計(jì)算，在空載時(shí)前、后橋載荷比接近5∶5；在滿載時(shí)前、后橋載荷比接近4∶6，故該車型整車載荷分布均衡，質(zhì)心位置合理。

圖2 純電動(dòng)輕型載貨車底盤布置

2 整車動(dòng)力系統(tǒng)匹配

為了提高純電動(dòng)載貨車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，動(dòng)力系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)是極為重要的。對整車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行匹配時(shí)，首先對整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性提出設(shè)計(jì)要求，然后根據(jù)目標(biāo)要求匹配計(jì)算驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能參數(shù)，再結(jié)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能和參數(shù)要求確定動(dòng)力電池組的參數(shù)［4］。

本文在某車型平臺和前文總體結(jié)構(gòu)布置的基礎(chǔ)上，對純電動(dòng)輕型載貨車動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)方面的研究進(jìn)行介紹。

2.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)汽車行駛方程式，進(jìn)行整車的動(dòng)力性計(jì)算：

式中：Ft——驅(qū)動(dòng)力，N；Ff——滾動(dòng)阻力，N；Fw——空氣阻力，N；Fi——坡道阻力，N；Fj——加速阻力，N。

2.1.1 滾動(dòng)阻力

滾動(dòng)阻力Ff的計(jì)算公式為：

式中：G——車輛質(zhì)量，N；α——道路坡度，°；f——滾動(dòng)阻力系數(shù)，N/kN。

若無試驗(yàn)得到的準(zhǔn)確滾動(dòng)阻力系數(shù)值，可利用經(jīng)驗(yàn)公式大致估算，如在良好道路上貨車輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)為：

式中：u——貨車當(dāng)前車速，km/h。

2.1.2 空氣阻力

空氣阻力Fw的計(jì)算公式為：

式中：CD——空氣阻力系數(shù)；A——迎風(fēng)面積，m2。

不同車型的空氣阻力系數(shù)CD和迎風(fēng)面積A的數(shù)據(jù)，見表1。

2.1.3 坡道阻力

坡道阻力Fi的計(jì)算公式為：

Fi=G sin a （5）

2.1.4 加速阻力

加速阻力Fj的計(jì)算公式為：

表1 空氣阻力系數(shù)CD與迎風(fēng)面積A

式中：δ——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m——整備質(zhì)量，kg；du/dt——行駛加速度，m/s2［5］。

2.2 電機(jī)參數(shù)匹配

驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配的目的是為了使電動(dòng)車輛行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)盡可能地在高效區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)，充分利用動(dòng)力電池有限的能量。通過汽車動(dòng)力學(xué)方程和仿真手段計(jì)算得到電機(jī)的額定功率、峰值功率、峰值轉(zhuǎn)矩、峰值轉(zhuǎn)速等參數(shù)，從而選擇滿足整車性能指標(biāo)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2.2.1 額定功率

根據(jù)最高車速計(jì)算整車需求的額定功率Pe（kW）。

1）根據(jù)最高車速計(jì)算整車需求（最高車速90km/h，測試循環(huán)質(zhì)量3847.5kg，迎風(fēng)面積3.6m2，空氣阻力系數(shù)0.65，滾動(dòng)阻力系數(shù)0.009）的額定功率Pve（kW）：

2）根據(jù)持續(xù)爬坡度計(jì)算整車需求（最大爬坡度20%，車速10km/h，滿載質(zhì)量4495kg）的額定功率Pie（kW）：

式中：θ——持續(xù)爬坡度；uic——持續(xù)爬坡度對應(yīng)的爬坡車速，km/h。

故額定功率為：

建議選型時(shí)，留余量確保性能的實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 峰值功率

根據(jù)最大爬坡度和加速性能計(jì)算整車需求的峰值功率Pm（kW）。

1）根據(jù)最大爬坡度計(jì)算整車需求的峰值功率Pim（kW）：

式中：uim——最大爬坡度對應(yīng)車速，km/h；β——最大爬坡度。

2）根據(jù)整車目標(biāo)0—50km/h加速時(shí)間≤13s的要求，計(jì)算峰值功率Pum（kW）：

式中：ηt——傳動(dòng)效率90%。

繪制圖譜如圖3所示。

圖3 電機(jī)加速功率特性曲線

為滿足0—50km/h加速時(shí)間≤13s，需要電機(jī)峰值功率≥62.71kW。故峰值功率Pm為

建議選型時(shí)，留余量確保性能的實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 峰值轉(zhuǎn)矩

根據(jù)最大爬坡度和起步加速性能計(jì)算整車需求的峰值轉(zhuǎn)矩Tm（Nm）。

根據(jù)整車參數(shù)主減速比i0=4.875，車輪滾動(dòng)半徑r=350mm及最高車速≥90km/h，最大爬坡度≥20%的目標(biāo)，參考公式：

繪制圖譜如圖4所示。

圖4 電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速特性曲線

由圖4可知，峰值扭矩至少大于725.26Nm，考慮到爬坡余量，選擇峰值扭矩不小于750Nm。

電機(jī)最高轉(zhuǎn)速應(yīng)該滿足最高車速的要求，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，最高轉(zhuǎn)速大于3325.12r/min，綜合考慮，選取電機(jī)最大的轉(zhuǎn)速大于3400r/min。表2為驅(qū)動(dòng)電機(jī)預(yù)選參數(shù)。

表2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)預(yù)選參數(shù)

除了上述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能參數(shù)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)械參數(shù)也需要重點(diǎn)考慮，如電機(jī)懸置位置和懸置角度等，對于整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)型都有直接影響，在此不再贅述。

2.3 動(dòng)力電池系統(tǒng)的參數(shù)匹配

動(dòng)力電池系統(tǒng)的額定電壓及實(shí)際工作電壓范圍必須與整車所選用的電機(jī)和電機(jī)控制器的工作電壓相匹配。為保證整車動(dòng)力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，需要根據(jù)電動(dòng)汽車電機(jī)的電壓等級及工作電壓范圍要求，選擇合適的動(dòng)力蓄電池的類型（如化學(xué)體系、額定電壓、容量規(guī)格等）并確定系統(tǒng)額定電壓及工作電壓范圍。動(dòng)力電池系統(tǒng)的電壓范圍一定要大于用電部件的工作電壓范圍。同時(shí)，動(dòng)力電池系統(tǒng)還應(yīng)滿足車輛不同工況的能量需求。

2.3.1 功率要求

動(dòng)力電池的總能量需滿足：

式中：Pm——驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率，例如取值為60kW；K——最大放電率，h-1；Ep——?jiǎng)恿﹄姵亟M總能量，kWh；ηmc——驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器效率，取值為90%。

2.3.2 等速40km/h能量要求

等速40km/h行駛需求電機(jī)功率為：

等速行駛工況下所消耗的能量可由電機(jī)消耗功率沿時(shí)間方向的積分獲得：

低壓附件電器平均消耗功率估計(jì)為1kW（等速40km/h，行駛250km，DC/DC效率90%所消耗的電池電量為6.94kWh）。

等速40km/h行駛200km所消耗的總電量為：

動(dòng)力電池組電量—最大放電倍率曲線如圖5所示。

如圖5所示，車輛需求等速40km/h工況動(dòng)力電池輸出總能量≥93.19kWh，最大放電倍率≥0.6。

綜上分析，得到動(dòng)力電池的參數(shù)見表3。

圖5 動(dòng)力電池組電量—最大放電倍率曲線

表3 動(dòng)力電池預(yù)選參數(shù)

3 結(jié)語

上述為對于某純電動(dòng)輕型載貨車底盤布置及動(dòng)力系統(tǒng)匹配的研究，基本符合預(yù)期。若使之真正達(dá)到開發(fā)、量產(chǎn)狀態(tài)，還須經(jīng)過更系統(tǒng)地選型和試驗(yàn)驗(yàn)證，需要綜合考慮零部件供應(yīng)商的排產(chǎn)能力、產(chǎn)品的價(jià)格、市場的保有率、整車應(yīng)用場景等。我們已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的賽道，要實(shí)現(xiàn)彎道超車，就必須朝著更強(qiáng)大的產(chǎn)品力方向邁進(jìn)。