某重型越野汽車底盤上裝一體化電動改裝方案分析

王凱 馬福龍 楊武 賀小波 牟鑫

摘要：針對某重型越野汽車交付后用戶提出靜默行駛的新需求，基于并聯式混合動力系統，根據集成共享的設計理念，提出了底盤與上裝一體化電動改裝方案。以動力性及續駛里程指標為要求，進行動力系統主要元件選型計算；以整車最大設計總質量為限定條件，對改裝方案進行分析，驗證了方案的可行性。

關鍵詞：重型越野汽車；并聯式混合動力系統；一體化電動改裝

中圖分類號：U463.1? 收稿日期：2024-03-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406008

1 前言

某重型越野汽車采用6×6全驅底盤，長距離公路行駛時，由底盤發動機驅動。到達工作場地后，底盤發動機停機，由上裝柴油發電機驅動上裝系統工作。該重型越野汽車交付用戶試用一段時間后，根據具體使用環境，用戶提出了靜默行駛的新需求。本文基于底盤上裝一體化設計理念，對該重型越野汽車提出了電動改裝方案。

2 整車基本參數

該重型越野汽車整車基本參數見表1，電動化改裝后整車總質量應不超出最大設計總質量限值。

21 原車動力系統及動力性指標

該重型越野汽車電動化改裝前（以下簡稱原車）采用直列六缸柴油機、手動機械變速器、雙速全時分動器的6×6全驅動力系統［1］，其結構簡圖見圖1。原車主要動力性指標見表2。

22 電動化改裝方案

為滿足靜默行駛工況，對該重型越野汽車底盤與上裝進行一體化電動化改裝，方案結構簡圖見圖2。

底盤采用單電機+自動變速器的并聯式混合動力系統，電機位于發動機與自動變速器之間，電機與發動機同軸安裝并帶有自動離合器。電機控制器及電池模塊布置于上裝，電池與上裝用電設備共享。發動機和電機都能對汽車直驅，且可多擋調速，動力性較好。汽車具備常規動力、純電動、混合動力三種驅動模式［2］。其中純電動模式可滿足靜默行駛工況要求，該工況下汽車主要性能指標需求見表3。

3 驅動電機參數計算與選型

31 電機功率計算

越野汽車一般要求其具有較大的爬坡度，考慮到爬陡坡工況的功率平衡方程為：

[P=u3 600ηmgfcosα+mgsinα+CDAu221.15+δmdudt]? （1）

311 峰值功率

汽車處于最高車速行駛、爬陡坡、急加速等高負荷工況下對驅動電機的功率需求大，應分別對這三種工況下需求功率進行計算。

按水平路面應達到的最高車速計算：

[P1=u3 600ηmgf+CDAu221.15]???????????????????? （2）

按最大爬坡度計算：

[P2=uα3 600ηmgfcosα+mgsinα+CDAu221.15]??????? （3）

式中，[uα]為汽車最大爬坡度對應的車速。

按加速時間計算：

[P3=δmut23 600η1-t-0.1tx+mgfut3 600η+CDAu276 140η]?? （4）

式中，[ut]為汽車急加速終了時刻的車速；[t]為汽車從車速為0加速到[ut]所用的時間；x為擬合系數，一般取05。

動力源總功率必須同時滿足上述三項動力性指標，因此總功率為：

[Pmax=max（P1，P2，P3）]???????????????????????? （5）

將表1中參數及表2指標代入式（2）～式（5），計算得到驅動電機峰值功率應大于1936 kW。

312 額定功率

額定功率是指汽車在常用工況行駛時的功率需求。該重型越野汽車以純電動模式運行時在水平路面勻速行駛車速為60 km/h，將上述要求代入式（2），可得按車速指標計算的額定功率[P1]。該重型越野汽車在10%坡度勻速爬坡車速10 km/h，將上述要求代入式（3），可得按爬坡指標計算的額定功率[P2]。額定功率必須滿足常用車速及爬坡性能指標，因此額定功率為：

[Pe=max（P1，P2）]??????????????????????????? （6）

計算得到驅動電機額定功率應大于863 kW。

32 電機扭矩計算

對于爬坡度較大的越野汽車，其行駛方程式為：

[Tiηr=mgfcosα+mgsinα+CDAu221.15+δmdudt]?????? （7）

式中，[i]為汽車純電動模式下傳動系總傳動比。

321 峰值扭矩

該重型越野汽車以純電動模式運行時，按最大爬坡度要求，根據式（8）計算得到電機的峰值扭矩應大于5824 N·m：

[Tmax=riηmgfcosα+mgsinα+CDAu221.15]?????????? （8）

322 額定扭矩

純電動模式運行時，根據驅動電機額定功率按式（9）計算得到額定扭矩應大于2791 N·m：

[Te=3 600Perui]????????????????????????????? （9）

33 電機轉速計算

汽車純電動模式行駛過程中，車速與驅動電機轉速之間的關系如下：

[n=3ui0.377r]???????????????????????????? （10）

331 峰值轉速

將該重型越野汽車純電動模式最高車速指標代入式（10），計算可得電機峰值轉速[nmax]應大于1 5583 r/min。

332 額定轉速

將該重型越野汽車純電動模式額定車速指標代入式（10），計算可得電機額定轉速[ne]應大于9842 r/min。

34 驅動電機選型

電動汽車用驅動電機要求具有重量輕、體積小、高效率、高可靠性等特點。目前電動汽車常用的驅動電機主要為永磁同步電機及交流異步電機兩種。永磁同步電機具有較高的比功率、體積更小、質量更輕、輸出轉矩更大。其低速高效率特性適合越野汽車在越野路面低速行駛的使用要求，同時具有優異的制動性能，可實現制動能量回收，增加汽車純電動模式續駛里程。因此選用永磁同步電機作為該重型越野汽車的驅動電機，其具體參數見表4。

表4 驅動電機參數

[項目????? 峰值?????? 額定?????? 功率，kW????? 200? 100? 扭矩，N·m? 2 100????? 930? 轉速，r/min?? 3 000????? 1 078????? ]

4 動力電池組參數計算分析

41 動力電池組功率計算

動力電池功率要能滿足加速時電機驅動整車的功率要求，考慮轉向器、空壓機、熱管理系統等附件損耗功率后，應大于驅動電機的需求功率，即：

[Pb≥Pmax+Pa]???????????????????????? （11）

式中，[Pb]為動力電池功率；[Pa]為附件損耗功率，取30 kW。

根據式（11）計算可得，電池功率至少應大于230 kW。

42 動力電池組能量計算

動力電池儲存的能量越多，汽車純電動續駛里程就越長，動力電池能量計算公式如下：

[EbΔsoc≥0t1Pmηmηbddt+0t2Paηaηbddt-0t3Pgηbcdt]?????? （12）

式中，[Eb]為動力電池能量；[Δsoc]為動力電池荷電狀態，為防止過放取值為08；[Pm]為電機驅動功率；[Pg]為再生制動功率；t1、t2、t3分別為電機驅動時間、附件工作時間、再生制動能量回收時間；[ηm]、[ηbd]、[ηa]、[ηbc]分別為電機效率、電池放電效率、附件效率、電池充電效率。

在保守計算動力電池能量時，若不考慮能量回收效果，式（12）可簡化為：

[Eb≥pmΔSOCSue]????????????????????????????? （13）

式中，[S]為純電續駛里程；[ue]為純電行駛車速。

將表3純電動模式下續駛里程、車速指標及表4選定的驅動電機參數代入式（13），計算可得動力電池組能量應大于2083 kW·h。

43 動力電池組容量計算

動力電池組容量[Q]的計算公式為：

[Q≥1 000EbU]?? ?????????????????????????（14）

式中，[U]為動力電池組額定電壓，與電機控制器額定輸入電壓相等，目前重型汽車主流的系統電壓一般為450～750 V，本方案選取580 V高壓系統。根據式（14）計算得到動力電池組容量應大于3592 A·h。

44 動力電池組重量體積計算

目前混合動力汽車可選的動力電池類型主要有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。其中鋰離子電池在能量密度方面具有明顯優勢，且充放電循環壽命和充放電效率較高，主流混動汽車一般均首選鋰離子動力電池。為提高電池安全性，便于維修更換，重型車用大容量動力電池組一般采用模塊化設計，將大容量電池組分割為多個獨立的電池箱。本方案選用的單體電池箱參數如表5所示。

為不降低上裝系統性能指標，對該重型越野汽車電動化改裝時，在上裝部分增加專門驅動底盤電機的動力電池組。同時，該電池組可用上裝自帶的柴油發電機充電，多余的電能也可為上裝補充能源。根據底盤純電動模式行駛能量需求，應加裝8個表5所示的單體電池箱，質量約1 680 kg。

5 結語

本文對某重型越野汽車提出了基于并聯式混合動力系統的底盤與上裝一體化電動改裝方案，通過理論計算，選定了動力系統主要元件。為滿足該重型越野汽車在純電工況下轉向及制動功能，還需要加裝電動轉向助力系統及電動空壓機。經統計估算汽車電動改裝部分增加的質量約2 600 kg，改裝后汽車總質量為20 600 kg，未超出整車最大設計總質量限值，方案可行。

參考文獻：

[1]孫逢春電動汽車工程手冊[M]北京：機械工業出版社，2019

[2]余志生汽車理論[M]北京：機械工業出版社，2005.

作者簡介：

王凱，男，1990年生，工程師，研究方向為整車動力傳動系統。