全地形特種車輛電驅(qū)動平臺化研究及技術(shù)展望

楊 兵，陳 勁，雍 躍，張 勇，李建祥，鐘洪亮，彭一彥

全地形特種車輛電驅(qū)動平臺化研究及技術(shù)展望

楊 兵，陳 勁，雍 躍，張 勇，李建祥，鐘洪亮，彭一彥

（重慶嘉陵全域機動車輛有限公司，重慶 402760）

論文分析以汽油、燃氣和柴油為燃料的特種全地形車動力系統(tǒng)技術(shù)升級改造難點問題，提出了特種全地形車的一種電驅(qū)動系統(tǒng)。通過電驅(qū)動單元模塊深度融合進行技術(shù)迭代，達成硬件平臺化、模塊化高度集成技術(shù)，從而降低產(chǎn)品成本以及提升電驅(qū)動效率，為探索未來特種全地形車電驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展提供研究方向。

特種全地形車；電驅(qū)動；平臺化；模塊化；輪轂電機驅(qū)動

隨著新一輪汽車產(chǎn)業(yè)基于能源、互聯(lián)和智能的革命，車輛電驅(qū)動技術(shù)整體呈現(xiàn)出平臺化、集成化、智能網(wǎng)聯(lián)化、高壓化發(fā)展趨勢[1]。

電驅(qū)動技術(shù)指應(yīng)用電力電子技術(shù)和控制技術(shù)，將發(fā)電機、電動機以及控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械傳動裝置來驅(qū)動車輛的技術(shù)，另外，高度集成的電驅(qū)動系統(tǒng)還集成電源補給系統(tǒng)，形成多合一電驅(qū)動系統(tǒng)。電驅(qū)動系統(tǒng)比傳統(tǒng)機械傳動裝置具有無級調(diào)速、任意半徑轉(zhuǎn)向、沒有機械傳動換擋的沖擊振動以及加速性、靈活性高、部件布置方便和模塊化實現(xiàn)簡單等很多優(yōu)點。采用電驅(qū)動系統(tǒng)，對于特種車輛來說具有布置靈活、越野和機動性能好、能夠靜默行駛、效率高、環(huán)保等特點。在軍事領(lǐng)域還具有儲能大、能為高能武器提供能量等特點，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

早期的電驅(qū)動總成的主要構(gòu)成包括電機、電控以及減速器，且各自采用較為傳統(tǒng)的垂直獨立供應(yīng)商。隨著新能源車輛更加苛刻的電耗目標(biāo)，電驅(qū)系統(tǒng)效率的提升成為其追求的目標(biāo)，以提升市場競爭力。

集成化成為電驅(qū)動總成發(fā)展的技術(shù)趨勢之一，電驅(qū)動系統(tǒng)集成化有效縮短了各部件之間的距離，可以減小甚至省去高壓線束，降低成本的同時，縮短電力傳遞路徑，降低損耗，提升系統(tǒng)效率，優(yōu)化車企流程，智能化演進等。

1 電驅(qū)動總成集成技術(shù)路線

1.1 硬件集成

第一代電驅(qū)集成以電機、電控、減速器等單體為主。第二代電驅(qū)技術(shù)逐步由單一的機械集成向一體化集成的3 in 1快速迭代。第三代在智能化的加持下，基于電控系統(tǒng)軟硬深度融合的多合一all in one電驅(qū)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)集成設(shè)計也得到發(fā)展[2]。

All in one電驅(qū)動系統(tǒng)集成了驅(qū)動電機（E- Motor）、電機控制器（Invertor）、減速器（Gear-Box）形成電驅(qū)三合一，由充電機+交直流轉(zhuǎn)換（OBC+ DCAC）、直流轉(zhuǎn)換器（DCDC）、高壓分線盒（PDU）形成的電源補給三合一。

高度集成的電驅(qū)動系統(tǒng)完全集成了驅(qū)動、控制、電源模塊，功率密度提升到1.81 kW/kg左右，基于中國汽車行駛工況的綜合使用效率工況預(yù)估在85%，其成本較上一代有下降，預(yù)計48元/kW。集成化程度決定了綜合效率和成本。電驅(qū)動系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電驅(qū)動系統(tǒng)

1.2 模塊擴展

鑒于不同整車的峰值功率、百公里加速、最高車速、最大爬坡度要求不同，多合一電驅(qū)動總成各分模塊再進行優(yōu)化組合，調(diào)整減速器速比，調(diào)整定轉(zhuǎn)子疊長，調(diào)整控制器的電壓等級，來滿足不同車輛對電驅(qū)動系統(tǒng)的需求，電驅(qū)動系統(tǒng)可以分成若干個功率等級平臺，大平臺、中平臺、小平臺單元。由于一車一機，平臺化困難，單一產(chǎn)品量綱少，開發(fā)成本高、產(chǎn)品降本困難，零部件以國內(nèi)供應(yīng)商為主開發(fā)，面向未來的先進性不足、產(chǎn)品制程質(zhì)量控制不穩(wěn)定。面臨這些問題，平臺化設(shè)計顯得尤為重要。經(jīng)過技術(shù)、成本測算評估，大平臺單元單體功率為150 kW左右，中平臺單元單體功率為100 kW左右，小平臺單元單體功率約為70 kW左右。以此平臺為基礎(chǔ)，進行功率優(yōu)化組合。如圖2所示。

圖2 電驅(qū)動功率平臺

1.3 搭載整車動力性匹配

功率范圍為5 kW～70 kW的電驅(qū)總成搭載整車的重量范圍約在500 kg～1 200 kg；功率范圍為70 kW～100 kW的電驅(qū)總成搭載整車的重量范圍約在1 200 kg～2 000 kg；功率范圍為150 kW～200 kW的電驅(qū)總成搭載整車的重量范圍約在 2 000 kg～3 500 kg。

若整車需要300 kW，最優(yōu)的技術(shù)解決方案為由兩個單體功率為150 kW單體進行組合。具體根據(jù)整車的用途以及動力需求進行局部模塊優(yōu)化迭代，進一步進行細分，在150 kW大平臺、100 kW中平臺、70 kW小平臺基礎(chǔ)上進行拓展，功率拓展平臺最大范圍為5 kW～200 kW范圍內(nèi)變動。

圖3 動力性匹配

從整車技術(shù)發(fā)展層面分析，3.5噸級及以下全地形特種車輛可采用“雙側(cè)電機驅(qū)動”方案，重型車輛的電驅(qū)動一般采用“機電復(fù)合傳動”方案。動力系統(tǒng)普遍為串聯(lián)式混合動力。電驅(qū)車輛動力性匹配如圖3所示[3]。

2 高密度電驅(qū)技術(shù)展望

由于特種全地形車輛對機動能力要求很高，發(fā)電機、驅(qū)動電機均采用高功率密度永磁同步電機（10 kW/L、90 Nm/L），儲能部件選用高功率/高能量密度鋰離子電池（120 Wh/kg、8 kW/kg），需要采用基于新一代輪轂電機或者輪邊電機的分布式驅(qū)動系統(tǒng)，以滿足對高機動能力、高容錯能力和高適應(yīng)能力的要求。經(jīng)過多輪技術(shù)迭代和演變，結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、控制和轉(zhuǎn)向靈活的輪轂電機驅(qū)動已經(jīng)成為新一代輪式機動平臺的主流發(fā)展趨勢。清華大學(xué)提出的一種電動輪總體設(shè)計方案，能夠兼顧解決大爬坡度（60%）要求的大轉(zhuǎn)矩和高速機動（120 km/h～150 km/h）；同時保證制動、轉(zhuǎn)向和懸架接口的高集成電驅(qū)動系統(tǒng)。采用直接油冷、混合磁場、端部焊接和方形導(dǎo)體等措施，可以有效提高電機的轉(zhuǎn)矩密度，如圖4所示。

圖4 高轉(zhuǎn)矩密度輪轂驅(qū)動

輪式電驅(qū)動技術(shù)表現(xiàn)出“系統(tǒng)設(shè)計一體化、功能模塊集成化、核心部件輕量化、分布驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)化”發(fā)展趨勢，由此延展的技術(shù)研究課題如下：

1.電機新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝技術(shù)研究

應(yīng)努力提升電機及驅(qū)動器設(shè)計水平，包括新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝，以及碳化硅等新型功率器件的應(yīng)用等；研究分析電驅(qū)動裝甲車輛的戰(zhàn)術(shù)使用要求和特點，提出科學(xué)、合理的技術(shù)指標(biāo)，如峰值扭矩持續(xù)時間、高效率區(qū)、過載能力等，以更好地適應(yīng)戰(zhàn)場使用。

2.動力學(xué)集成控制技術(shù)研究

電驅(qū)動車輛具有驅(qū)動傳動鏈短、傳動高效、結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)點，通過獨立控制電動機驅(qū)/制動轉(zhuǎn)矩容易實現(xiàn)多種動力學(xué)控制功能。為實現(xiàn)驅(qū)動防滑、制動防抱死、穩(wěn)定性控制、差速驅(qū)動轉(zhuǎn)向和車身姿態(tài)控制等多個動力學(xué)問題的一體化控制，動力學(xué)集成控制是研究熱點。

3.新型電驅(qū)動行走機構(gòu)

如圖5所示，輪轂電機驅(qū)動為懸掛、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的變革提供了條件，應(yīng)以此為契機積極開展新型懸掛、轉(zhuǎn)向技術(shù)研究，研究新型電驅(qū)動行走機構(gòu)，支撐新型武器平臺的搭載和智能傳感器技術(shù)的發(fā)展[4]。

圖5 電驅(qū)行走機構(gòu)

當(dāng)前，高密度的輪轂電機會增大簧下質(zhì)量和輪轂的轉(zhuǎn)動慣量，對車輛的操控有所影響。此外，輪轂電機工作的環(huán)境惡劣，面臨水、灰塵等多方面影響，在密封方面也有較高要求，同時在設(shè)計上也需要為輪轂電機單獨考慮散熱問題。不過不會影響到到其平臺化拓展應(yīng)用范圍[5]。

目前從技術(shù)對標(biāo)角度來看，輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面：一是以輪胎生產(chǎn)商或汽車零部件生產(chǎn)商為代表的研發(fā)團隊開發(fā)的集成化電動系統(tǒng)；二是整車生產(chǎn)商與輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)生產(chǎn)商聯(lián)合開發(fā)的電動汽車。而中國對于輪轂電機的研究多集中于高校，產(chǎn)品均為電動汽車，與此同時，自主品牌汽車廠商也紛紛推出了自己的輪轂電機技術(shù)產(chǎn)品，國內(nèi)的汽車廠商雖然能夠生產(chǎn)電動汽車，但是對于輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的研究尚不成熟，尤其是在高轉(zhuǎn)矩輪轂電機開發(fā)方面，對標(biāo)先進產(chǎn)品仍有一定差距，因此，我國仍需加強對輪轂電機技術(shù)的研發(fā)投入，提高核心競爭力，縮小差距，爭取達到世界先進水平[6]。

3 結(jié)語

目前，電驅(qū)動技術(shù)的平臺化、模塊化、高度集成化初見成效，已帶來規(guī)模效應(yīng)，在市場中處于快速迭代階段。高機動能力、高容錯能力和高適應(yīng)能力的輪轂驅(qū)動技術(shù)已成為車輛電驅(qū)動重要的研究發(fā)展方向。因其結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、控制和轉(zhuǎn)向靈活等優(yōu)點，帶來了輪轂電機電磁設(shè)計優(yōu)化、控制策略及散熱方式和結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)研究課題。

[1] 崔勝民.智能網(wǎng)聯(lián)汽車新技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2016.

[2] 吳宗澤.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社, 1998.

[3] 付鐵軍.新能源汽車[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014.

[4] 李力,王飛躍.智能汽車先進傳感器與控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2016.

[5] 范思廣.電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)及其控制技術(shù)的研究[J].汽車零部件,2011(8):50-54.

[6] 田太偉,戚龍喜,凌素琴.輪轂電機驅(qū)動技術(shù)的研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2019(9):182-183.

Research and Technology Prospect of Electric Drive Platform for All Terrain Special Vehicles

YANG Bing, CHEN Jin, YONG Yue, ZHANG Yong, LI Jianxiang, ZHONG Hongliang, PENG Yiyan

( Chongqing Jialing All-Terrain Vehicle Company Limited, Chongqing 402760, China )

This paper is to analyze the difficulties in technical upgrading of the power system of special all-terrain vehicle fueled by gasoline, gas and diesel, and put forward an electric drive system of special all-terrain vehicle. Through deep integration of electric drive unit modules, technology iteration is carried out to achieve hardware platform and modular highly integrated technology, thus reducing product cost and improving electric drive efficiency, and providing research direction for exploring the development of electric drive technology for special all-terrain vehicles in the future.

Special all-terrain vehicle;Electric drive;Platformization;Modularization;Hub motor drive

U469.79

A

1671-7988(2023)03-211-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.039

楊兵（1983—），男，高級工程師，研究方向為車輛電驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)及設(shè)計，E-mail:gsbyhn@163.com。