純電動(dòng)手動(dòng)擋駕考車(chē)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

周保平 楊禎 李可可

摘要：駕培行業(yè)是道路運(yùn)輸行業(yè)的重要組成部分之一，既是資源占用型行業(yè)，又是能源消耗型行業(yè)。2022年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，教練車(chē)有70%以上的時(shí)間都在進(jìn)行場(chǎng)地內(nèi)科目訓(xùn)練，且訓(xùn)練中車(chē)輛的擋位低、車(chē)速慢，發(fā)動(dòng)機(jī)處于高油耗高污染區(qū)域工作，不僅要消耗大量的成品油，增加駕駛員培訓(xùn)成本，而且對(duì)周?chē)h(huán)境造成很大的污染，同時(shí)對(duì)駕培行業(yè)的持續(xù)發(fā)展和道路運(yùn)輸行業(yè)節(jié)能減排工作產(chǎn)生不利影響，傳統(tǒng)燃油駕考車(chē)已經(jīng)不適應(yīng)國(guó)家對(duì)環(huán)保和排放的要求。為了解決訓(xùn)練場(chǎng)地廢氣污染問(wèn)題，節(jié)約能源和降低訓(xùn)練成本，可將電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)用于駕考車(chē)。為滿(mǎn)足駕考車(chē)需求和這一小眾車(chē)需求，某公司決定開(kāi)發(fā)純電動(dòng)駕考車(chē)。純電動(dòng)駕考車(chē)關(guān)鍵技術(shù)在于驅(qū)動(dòng)電機(jī)、手動(dòng)變速箱如何與現(xiàn)有燃油車(chē)在技術(shù)層面進(jìn)行對(duì)接，同時(shí)滿(mǎn)足公安部對(duì)駕考車(chē)和培訓(xùn)用車(chē)的定義需求，滿(mǎn)足科目二和科目三的要求，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：駕考車(chē)；電動(dòng)化；手動(dòng)擋；抖動(dòng)模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：U462.2? 收稿日期：2023-03-27

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.05.007

1 前言

根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)來(lái)看，全國(guó)駕考車(chē)輛保有量約為75萬(wàn)輛，年更新率為10%左右（7萬(wàn)輛）。面對(duì)如此龐大的數(shù)量，駕考車(chē)新能源化的技術(shù)手段將對(duì)節(jié)能減排具有極其重要的意義，對(duì)于教學(xué)和考試用駕培車(chē)輛也有突出意義［1］。

a.節(jié)能減排效果突出。怠速（科目二）和低速（科目三）行駛是內(nèi)燃機(jī)燃油效率最差、排放污染物排放量最高的工況。如果用電動(dòng)車(chē)訓(xùn)練，每臺(tái)車(chē)一個(gè)小時(shí)可以減少3.2 L燃油，約40 g（碳?xì)洹⒁谎趸嫉龋┪廴疚锱欧拧?/p>

b.駕考成本降低，利于駕培行業(yè)的長(zhǎng)期健康向好的發(fā)展。充電費(fèi)用不足燃油費(fèi)用的1/4，大量減少常用的更換部件如火花塞、機(jī)油、濾清器等，電機(jī)的維護(hù)成本也遠(yuǎn)低于發(fā)動(dòng)機(jī)，駕考訓(xùn)練成本將明顯降低。

c.催生的駕培服務(wù)創(chuàng)新變革。電動(dòng)汽車(chē)沒(méi)有尾氣排放，勞動(dòng)作業(yè)環(huán)境得到改善。沒(méi)有尾氣排放的電動(dòng)車(chē)可以在封閉的場(chǎng)地教學(xué)，減少了雨雪、酷熱、酷寒等環(huán)境因素對(duì)駕培訓(xùn)練的影響，大幅提升駕培訓(xùn)練的舒適感，利于提升駕培服務(wù)的質(zhì)量［2］?？紤]到電動(dòng)教練車(chē)突出的節(jié)能減排社會(huì)效益及促進(jìn)行業(yè)健康向好發(fā)展的價(jià)值，某公司開(kāi)發(fā)出了極具燃油車(chē)駕駛特性的純電動(dòng)手動(dòng)擋駕考車(chē)，彌補(bǔ)了新能源汽車(chē)市場(chǎng)的空白。

2 開(kāi)發(fā)方案

2.1 以往電動(dòng)手動(dòng)擋駕考車(chē)缺陷

純電動(dòng)手動(dòng)擋駕考車(chē)將動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元由發(fā)動(dòng)機(jī)改為電機(jī)，目前行業(yè)所研發(fā)的電動(dòng)手動(dòng)擋教練車(chē)從硬件配置上可劃分為以下兩種：

a.模擬手動(dòng)擋變速箱電動(dòng)汽車(chē)：此類(lèi)汽車(chē)有離合操縱踏板但沒(méi)有離合器，有變速箱操縱桿但沒(méi)有變速箱，電機(jī)與驅(qū)動(dòng)軸和車(chē)輪為常接合狀態(tài)，不可斷開(kāi)。比如比亞迪e3、東風(fēng)俊風(fēng)EV30。

b.真實(shí)手動(dòng)變速箱電動(dòng)汽車(chē)：其動(dòng)力系統(tǒng)配有真實(shí)手動(dòng)變速箱、真實(shí)離合器、驅(qū)動(dòng)單元為電機(jī)。

第一種模擬變速箱類(lèi)型的電動(dòng)手動(dòng)擋車(chē)輛有突出的優(yōu)點(diǎn)，即減少了離合器這種易損部件，減少了手動(dòng)變速箱部件，從而降低了車(chē)輛成本［3］。

但有些關(guān)鍵特征還未能實(shí)現(xiàn)與真實(shí)的手動(dòng)擋統(tǒng)一，主要有以下幾點(diǎn)：

a.模擬電動(dòng)手動(dòng)擋車(chē)輛采用的換擋桿缺乏阻尼反饋力，可以自由切換各個(gè)檔位位置，與存量燃油駕考車(chē)手動(dòng)變速箱操作感受?chē)?yán)重不符，嚴(yán)重影響學(xué)車(chē)效果和考試通過(guò)率。實(shí)際的手動(dòng)換擋桿與變速箱內(nèi)的撥叉機(jī)構(gòu)連接，如果擋位相差過(guò)大，可能導(dǎo)致出現(xiàn)無(wú)法進(jìn)擋或者強(qiáng)烈打齒等現(xiàn)象，所以操作者感受到進(jìn)擋困難會(huì)立即調(diào)整換擋目標(biāo)。但是目前模擬手動(dòng)擋所公布的相關(guān)技術(shù)來(lái)看，各擋位無(wú)障礙自由切換，這與有正常手動(dòng)變速箱車(chē)輛存在明顯的操作和車(chē)輛工作特征差異。

b.半離合操縱的關(guān)鍵技術(shù)缺陷明顯。在離合半聯(lián)動(dòng)操作時(shí)，隨著離合器的滑擦，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。模擬手動(dòng)變速箱的設(shè)計(jì)方案中，熄火非常突然，駕駛者沒(méi)時(shí)間調(diào)整，這與普通燃油車(chē)手動(dòng)擋操作不一致。

第二種真實(shí)變速箱類(lèi)型的電動(dòng)手動(dòng)擋車(chē)輛，變速箱及離合器與傳統(tǒng)燃油車(chē)使用部件完全與燃油車(chē)一致，這樣在駕駛操縱中保持與燃油車(chē)一致的操縱方法，使學(xué)員在使用電動(dòng)汽車(chē)訓(xùn)練或者考試中所獲駕駛操縱技能，能夠較好及適用于燃油車(chē)。完全保留同燃油車(chē)相同的離合器和飛輪，不僅保留了完全等同于燃油車(chē)的離合操縱方法，也可使離合半聯(lián)動(dòng)時(shí)的沖擊力和旋轉(zhuǎn)飛輪耦合后的振動(dòng)感類(lèi)同地反饋至車(chē)身，讓駕駛者操縱離合時(shí)，感受車(chē)輛反饋信息與燃油車(chē)保持一致［4］。

c.在道路訓(xùn)練過(guò)程中，加減檔是必考的項(xiàng)目，模擬手動(dòng)擋的技術(shù)方案無(wú)法模擬出“高擋低速、抵擋高速”等誤操作時(shí)的頓挫感等各種異常表現(xiàn)，在考試過(guò)程中很難適應(yīng)傳統(tǒng)燃油考試車(chē)的操作，同樣會(huì)嚴(yán)重影響通過(guò)率。

d.在上坡訓(xùn)練過(guò)程中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在離合半聯(lián)動(dòng)狀態(tài)下，加速的同時(shí)感受到車(chē)身抖動(dòng)后松手剎或腳剎控制車(chē)身后溜的連貫動(dòng)作，導(dǎo)致學(xué)員無(wú)法準(zhǔn)確掌握上坡技能。綜合比較兩種類(lèi)型C1電動(dòng)教練車(chē)，可得到基本信息如表1所示。

考慮模擬手動(dòng)變速箱存在明顯技術(shù)缺陷，某公司選擇真實(shí)手動(dòng)變速箱電動(dòng)駕考車(chē)的技術(shù)方案，選擇真實(shí)的手動(dòng)變速箱和離合器，保留原有換擋和油門(mén)-離合操作。

2.2 開(kāi)發(fā)方案

2.2.1 適應(yīng)性加強(qiáng)

教練車(chē)使用存在問(wèn)題：全國(guó)駕校小型教練車(chē)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，離合器問(wèn)題占88.2%，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行車(chē)制動(dòng)磨損快、換擋機(jī)構(gòu)不耐用、輪胎耐用性等比例較高。

針對(duì)如上問(wèn)題，某公司在開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)相關(guān)關(guān)鍵零件部進(jìn)行可靠性加強(qiáng)，主要有以下幾點(diǎn)：

a.前輪轂軸承加厚、減振器套筒直徑優(yōu)化；減振器上支座加強(qiáng)；三角臂厚度由3.5 mm提高到4.0 mm。

b.后懸采用加強(qiáng)減振器、彈簧適應(yīng)性更改。

c.轉(zhuǎn)向器采用無(wú)刷電機(jī)，增強(qiáng)無(wú)刷電機(jī)扭矩，提升到3.8 N·m，齒條由24 mm增加到25 mm。軟件控制策略適應(yīng)考試車(chē)轉(zhuǎn)向打死時(shí)間長(zhǎng)的使用特點(diǎn)，設(shè)置打死點(diǎn)電流升高限量，避免過(guò)熱保護(hù)。采用電動(dòng)助力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠。

d.制動(dòng)：加強(qiáng)助力器，進(jìn)一步縮短空行程，C型皮碗改為E形皮碗。后卡鉗35→38，調(diào)整摩擦片配方，提高使用壽命提高耐磨性，改善制動(dòng)抖動(dòng)。

e.離合器的摩擦片和膜片彈簧材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝先進(jìn)，保證性能達(dá)到六個(gè)月以上。

2.2.2 關(guān)鍵硬件及配置

在傳統(tǒng)燃油車(chē)基礎(chǔ)上取消發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，全新設(shè)計(jì)七大系統(tǒng)，包含28項(xiàng)全新設(shè)計(jì)。全新匹配三電系統(tǒng)+傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)，高壓附件為全新低壓平臺(tái)144 V，配合DCDC充電獨(dú)有技術(shù)，整車(chē)完成后，和傳統(tǒng)燃油車(chē)操作特性達(dá)到90%以上的相似度。

某公司純電動(dòng)手動(dòng)擋駕考車(chē)配置：真實(shí)變速箱+真實(shí)離合+高性能永磁同步電機(jī)。開(kāi)發(fā)主要思路就是用“電機(jī)+電池”替代“發(fā)動(dòng)機(jī)+油箱”，沿用的真實(shí)5擋手動(dòng)變速箱和離合器等重要部件，這樣嚴(yán)格地保持了與傳統(tǒng)手動(dòng)擋相同的換擋和離合器操縱方法，操縱反饋感也相同。模擬手動(dòng)擋對(duì)比如圖1所示。

電動(dòng)手動(dòng)擋教練車(chē)采用性能優(yōu)、成本高的永磁同步電機(jī)，峰值功率達(dá)到45 kW，峰值扭矩達(dá)到50 N·m，最高轉(zhuǎn)速6 000 r/min。在1擋、2擋、3擋、4擋、5擋、倒擋情況最大輸出輪邊扭矩如表2所示，可以爬超過(guò)25%坡度，在車(chē)速100 km/h也可達(dá)515 N·m的輪邊扭矩輸出。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩完全能滿(mǎn)足常用工況下教練車(chē)的培訓(xùn)需求。

電機(jī)具有良好扭矩、轉(zhuǎn)速可調(diào)性，在工況設(shè)定上，可以通過(guò)燃油車(chē)的工作特征進(jìn)行調(diào)校，調(diào)節(jié)電機(jī)工況，讓電機(jī)可以類(lèi)似汽油機(jī)進(jìn)行工作。

2.2.3 車(chē)輛起步與考試規(guī)則的匹配性

考試中，車(chē)輛平地起步和陡坡起步，都是考試的重點(diǎn)和難點(diǎn)。從車(chē)輛點(diǎn)火開(kāi)始，完全承接燃油考試車(chē)的要求，某公司純電動(dòng)駕考車(chē)采用鑰匙點(diǎn)火模式，分為L(zhǎng)OCK、OFF、ACC、IGON、START幾個(gè)鑰匙檔位。在保證車(chē)輛安全和人員安全的前提下，檔位必須掛到N擋，離合踩下，鑰匙擰到Start擋，車(chē)輛儀表顯示Ready綠色圖標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)（電機(jī)）轉(zhuǎn)速達(dá)到800 r/min時(shí)，才表示點(diǎn)火成功；點(diǎn)火時(shí)，聲音模擬器會(huì)模擬發(fā)出發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)的聲音，車(chē)身會(huì)瞬間抖動(dòng)。

平地起步時(shí)，踩下離合后掛擋，松手剎，離合緩慢松至車(chē)身開(kāi)始抖動(dòng)并移動(dòng)，保持半離合狀態(tài)，車(chē)身開(kāi)始緩慢移動(dòng)，當(dāng)車(chē)身速度上到一定時(shí)，才緩松完離合，不踩油門(mén)的情況下，車(chē)輛會(huì)平穩(wěn)怠速（5 km/h）行駛；如果離合松得太快，車(chē)輛要么熄火，要么竄動(dòng)。

陡坡起步時(shí)，踩下離合、剎車(chē)后掛擋，松手剎，離合緩慢松至車(chē)身開(kāi)始抖動(dòng)，松剎車(chē)，保證車(chē)輛不后溜，再稍抬一點(diǎn)離合，車(chē)身開(kāi)始怠速移動(dòng)（離合片磨損較小的情況下，掛1擋，車(chē)輛在不踩油門(mén)、半離合狀態(tài)下可以爬上10%的斜坡）。離合控制不好的情況下，車(chē)輛會(huì)熄火或竄動(dòng)加劇。以上所有表現(xiàn)，某公司研制的純電動(dòng)手動(dòng)擋駕考車(chē)跟燃油車(chē)完全一致。

2.2.4 車(chē)輛加速力矩對(duì)比

由于電動(dòng)駕考車(chē)和燃油駕考車(chē)采用同樣的手動(dòng)變速箱，因此動(dòng)力輸出值輪邊數(shù)比和力矩特征相同，兩種車(chē)輛各擋位加速力矩-車(chē)速曲線(xiàn)如圖2所示。

從力矩-車(chē)速曲線(xiàn)可以看出，電動(dòng)車(chē)加速力矩水平與燃油車(chē)相當(dāng)，不同點(diǎn)在于：為了避免學(xué)員持續(xù)加速帶來(lái)危險(xiǎn)，電動(dòng)車(chē)相比燃油車(chē)各擋位的降扭點(diǎn)更提前。在完全符合機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛?cè)丝荚囅到y(tǒng)通用技術(shù)條件情況下進(jìn)行這樣的調(diào)校。

2.2.5 熄火抖動(dòng)方案與考試規(guī)則匹配性

考試規(guī)則中有明確要求，車(chē)輛在行駛中，如果駕駛不當(dāng)，造成車(chē)輛熄火會(huì)扣分；電動(dòng)車(chē)因電機(jī)的特性，本不存在熄火的問(wèn)題，但為了適應(yīng)駕駛考試、培訓(xùn)的需要，該純電動(dòng)手動(dòng)擋駕考車(chē)特意模擬了燃油車(chē)各種熄火特征：半離合起步控制不當(dāng)熄火；起步掛擋錯(cuò)誤熄火；行駛中擋位不匹配車(chē)速熄火；掛擋下，剎車(chē)控制不當(dāng)熄火；熄火前模擬發(fā)動(dòng)機(jī)特性（抖動(dòng)），提示駕駛者轉(zhuǎn)速過(guò)低，需增加發(fā)動(dòng)機(jī)（電機(jī)）轉(zhuǎn)速，方法是踩下離合或輕踩油門(mén)。操作方法完全跟燃油車(chē)一致。

2.2.6 抖動(dòng)熄火設(shè)計(jì)邏輯

起步離合器控制不當(dāng)導(dǎo)致抖動(dòng)和熄火的原因?yàn)椋喊l(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中有轉(zhuǎn)速死區(qū)，低于怠速時(shí)會(huì)燃燒不穩(wěn)定，易產(chǎn)生“嗆熄火”現(xiàn)象。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器會(huì)自動(dòng)控制噴油，偏濃的燃油產(chǎn)生較大的扭矩，自救式拉升轉(zhuǎn)速，形成扭矩波動(dòng)（這種策略為防熄火策略）。其次，發(fā)動(dòng)機(jī)因自身旋轉(zhuǎn)部件慣量較大，在這種劇烈轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)伴隨較強(qiáng)的振動(dòng)感。目前已有技術(shù)模擬熄火和抖動(dòng)策略存在明顯缺點(diǎn)：按照簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)速進(jìn)行判斷抖動(dòng)并熄火，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)一旦出現(xiàn)抖動(dòng)就判定熄火，與實(shí)際燃油車(chē)工作特征不符合。實(shí)際燃油車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)有個(gè)自動(dòng)噴油自救拉升，或者操縱離合脫開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)可能不會(huì)熄火。為了貼切地模擬燃油車(chē)的工作特征，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似燃油車(chē)的駕考體驗(yàn)，設(shè)計(jì)了抖動(dòng)區(qū)、熄火區(qū)、怠速區(qū)的控制方案，實(shí)現(xiàn)人與動(dòng)力系統(tǒng)感官交互良好體驗(yàn)。

3 收益測(cè)算

結(jié)合某公司開(kāi)發(fā)的純電動(dòng)手動(dòng)擋駕考車(chē)的實(shí)際訓(xùn)練場(chǎng)景，單車(chē)一年油費(fèi)能夠節(jié)省3～4萬(wàn)元，保養(yǎng)費(fèi)用節(jié)省約2 000元/年；駕考車(chē)每天工作時(shí)間為私家車(chē)的3～4倍，尾氣污染較大，新能源車(chē)能有效降低尾氣排放；駕考車(chē)可利用夜間削峰填谷集中充電，用電成本低，車(chē)輛利用率高。駕校教練車(chē)單車(chē)收入支出試算模型如表3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

面對(duì)新能源化和低碳綠色發(fā)展的必然趨勢(shì)和駕培行業(yè)運(yùn)營(yíng)利好，電動(dòng)C1型駕考車(chē)有較好的推廣價(jià)值，申請(qǐng)針對(duì)GA 1029-2022《機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛?cè)丝荚噲?chǎng)地及其設(shè)施設(shè)置規(guī)范》中第8.2.4條“應(yīng)需駕駛?cè)瞬僮麟x合器、換擋桿才能完成的換擋操作，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置應(yīng)為內(nèi)燃機(jī)”的描述[5]，建議修改為：

a.“……應(yīng)需要駕駛?cè)瞬僮麟x合器、換擋桿才能完成的換擋操作，變速操縱系統(tǒng)應(yīng)真實(shí)手動(dòng)變速箱，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置為內(nèi)燃機(jī)或電機(jī)”。

b.“……應(yīng)需要駕駛?cè)瞬僮麟x合器、換擋桿才能完成的換擋操作，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置應(yīng)為內(nèi)燃機(jī)或電機(jī)，如果采用新能源電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力裝置，變速操縱系統(tǒng)應(yīng)真實(shí)手動(dòng)變速箱和離合器，在操控方面達(dá)到內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛等同水平”。

若能達(dá)成以上修改目的，某公司開(kāi)發(fā)的純電動(dòng)手動(dòng)擋駕考將得到更進(jìn)一步的推廣應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益將會(huì)加速凸顯出來(lái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖俊仿純電動(dòng)轎車(chē)基礎(chǔ)[M]武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2018.

[2]童維勇，陳興釗純電動(dòng)教練車(chē)模擬燃油車(chē)的控制策略分析與實(shí)現(xiàn)[J]汽車(chē)電器，2020（8）：6-9.

[3]馬文勝燃油教練車(chē)電動(dòng)化技術(shù)研究[D]石家莊：河北科技大學(xué)，2018.

[4]婁飛鵬，康照強(qiáng)，張凱方一種純電動(dòng)教練車(chē)的實(shí)現(xiàn)方法[J]汽車(chē)電器，2016（1）：10-12.

[5]GA 1029-2022 機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛?cè)丝荚噲?chǎng)地及其設(shè)施設(shè)置規(guī)范[S]

作者簡(jiǎn)介：

周保平，男，1968年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉窜?chē)輛。