纯电动手动挡驾考车的开发与应用

周保平 杨祯 李可可

摘要：驾培行业是道路运输行业的重要组成部分之一，既是资源占用型行业，又是能源消耗型行业。2022年统计数据显示，教练车有70%以上的时间都在进行场地内科目训练，且训练中车辆的挡位低、车速慢，发动机处于高油耗高污染区域工作，不仅要消耗大量的成品油，增加驾驶员培训成本，而且对周围环境造成很大的污染，同时对驾培行业的持续发展和道路运输行业节能减排工作产生不利影响，传统燃油驾考车已经不适应国家对环保和排放的要求。为了解决训练场地废气污染问题，节约能源和降低训练成本，可将电动汽车技术用于驾考车。为满足驾考车需求和这一小众车需求，某公司决定开发纯电动驾考车。纯电动驾考车关键技术在于驱动电机、手动变速箱如何与现有燃油车在技术层面进行对接，同时满足公安部对驾考车和培训用车的定义需求，满足科目二和科目三的要求，满足国家标准。

关键词：驾考车；电动化；手动挡；抖动模拟

中图分类号：U462.2  收稿日期：2023-03-27

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.05.007

1 前言

根据行业统计来看，全国驾考车辆保有量约为75万辆，年更新率为10%左右（7万辆）。面对如此庞大的数量，驾考车新能源化的技术手段将对节能减排具有极其重要的意义，对于教学和考试用驾培车辆也有突出意义［1］。

a.节能减排效果突出。怠速（科目二）和低速（科目三）行驶是内燃机燃油效率最差、排放污染物排放量最高的工况。如果用电动车训练，每台车一个小时可以减少3.2 L燃油，约40 g（碳氢、一氧化碳等）污染物排放。

b.驾考成本降低，利于驾培行业的长期健康向好的发展。充电费用不足燃油费用的1/4，大量减少常用的更换部件如火花塞、机油、滤清器等，电机的维护成本也远低于发动机，驾考训练成本将明显降低。

c.催生的驾培服务创新变革。电动汽车没有尾气排放，劳动作业环境得到改善。没有尾气排放的电动车可以在封闭的场地教学，减少了雨雪、酷热、酷寒等环境因素对驾培训练的影响，大幅提升驾培训练的舒适感，利于提升驾培服务的质量［2］。考虑到电动教练车突出的节能减排社会效益及促进行业健康向好发展的价值，某公司开发出了极具燃油车驾驶特性的纯电动手动挡驾考车，弥补了新能源汽车市场的空白。

2 开发方案

2.1 以往电动手动挡驾考车缺陷

纯电动手动挡驾考车将动力驱动单元由发动机改为电机，目前行业所研发的电动手动挡教练车从硬件配置上可划分为以下两种：

a.模拟手动挡变速箱电动汽车：此类汽车有离合操纵踏板但没有离合器，有变速箱操纵杆但没有变速箱，电机与驱动轴和车轮为常接合状态，不可断开。比如比亚迪e3、东风俊风EV30。

b.真实手动变速箱电动汽车：其动力系统配有真实手动变速箱、真实离合器、驱动单元为电机。

第一种模拟变速箱类型的电动手动挡车辆有突出的优点，即减少了离合器这种易损部件，减少了手动变速箱部件，从而降低了车辆成本［3］。

但有些关键特征还未能实现与真实的手动挡统一，主要有以下几点：

a.模拟电动手动挡车辆采用的换挡杆缺乏阻尼反馈力，可以自由切换各个档位位置，与存量燃油驾考车手动变速箱操作感受严重不符，严重影响学车效果和考试通过率。实际的手动换挡杆与变速箱内的拨叉机构连接，如果挡位相差过大，可能导致出现无法进挡或者强烈打齿等现象，所以操作者感受到进挡困难会立即调整换挡目标。但是目前模拟手动挡所公布的相关技术来看，各挡位无障碍自由切换，这与有正常手动变速箱车辆存在明显的操作和车辆工作特征差异。

b.半离合操纵的关键技术缺陷明显。在离合半联动操作时，随着离合器的滑擦，会导致电机转速不稳定。模拟手动变速箱的设计方案中，熄火非常突然，驾驶者没时间调整，这与普通燃油车手动挡操作不一致。

第二种真实变速箱类型的电动手动挡车辆，变速箱及离合器与传统燃油车使用部件完全与燃油车一致，这样在驾驶操纵中保持与燃油车一致的操纵方法，使学员在使用电动汽车训练或者考试中所获驾驶操纵技能，能够较好及适用于燃油车。完全保留同燃油车相同的离合器和飞轮，不仅保留了完全等同于燃油车的离合操纵方法，也可使离合半联动时的冲击力和旋转飞轮耦合后的振动感类同地反馈至车身，让驾驶者操纵离合时，感受车辆反馈信息与燃油车保持一致［4］。

c.在道路训练过程中，加减档是必考的项目，模拟手动挡的技术方案无法模拟出“高挡低速、抵挡高速”等误操作时的顿挫感等各种异常表现，在考试过程中很难适应传统燃油考试车的操作，同样会严重影响通过率。

d.在上坡训练过程中，无法实现在离合半联动状态下，加速的同时感受到车身抖动后松手刹或脚刹控制車身后溜的连贯动作，导致学员无法准确掌握上坡技能。综合比较两种类型C1电动教练车，可得到基本信息如表1所示。

考虑模拟手动变速箱存在明显技术缺陷，某公司选择真实手动变速箱电动驾考车的技术方案，选择真实的手动变速箱和离合器，保留原有换挡和油门-离合操作。

2.2 开发方案

2.2.1 适应性加强

教练车使用存在问题：全国驾校小型教练车统计数据中，离合器问题占88.2%，转向系统、行车制动磨损快、换挡机构不耐用、轮胎耐用性等比例较高。

针对如上问题，某公司在开发过程中对相关关键零件部进行可靠性加强，主要有以下几点：

a.前轮毂轴承加厚、减振器套筒直径优化；减振器上支座加强；三角臂厚度由3.5 mm提高到4.0 mm。

b.后悬采用加强减振器、弹簧适应性更改。

c.转向器采用无刷电机，增强无刷电机扭矩，提升到3.8 N·m，齿条由24 mm增加到25 mm。软件控制策略适应考试车转向打死时间长的使用特点，设置打死点电流升高限量，避免过热保护。采用电动助力，结构简单、性能稳定，质量可靠。

d.制动：加强助力器，进一步缩短空行程，C型皮碗改为E形皮碗。后卡钳35→38，调整摩擦片配方，提高使用寿命提高耐磨性，改善制动抖动。

e.离合器的摩擦片和膜片弹簧材料、结构设计、工艺先进，保证性能达到六个月以上。

2.2.2 关键硬件及配置

在传统燃油车基础上取消发动机系统，全新设计七大系统，包含28项全新设计。全新匹配三电系统+传统传动系统，高压附件为全新低压平台144 V，配合DCDC充电独有技术，整车完成后，和传统燃油车操作特性达到90%以上的相似度。

某公司纯电动手动挡驾考车配置：真实变速箱+真实离合+高性能永磁同步电机。开发主要思路就是用“电机+电池”替代“发动机+油箱”，沿用的真实5挡手动变速箱和离合器等重要部件，这样严格地保持了与传统手动挡相同的换挡和离合器操纵方法，操纵反馈感也相同。模拟手动挡对比如图1所示。

电动手动挡教练车采用性能优、成本高的永磁同步电机，峰值功率达到45 kW，峰值扭矩达到50 N·m，最高转速6 000 r/min。在1挡、2挡、3挡、4挡、5挡、倒挡情况最大输出轮边扭矩如表2所示，可以爬超过25%坡度，在车速100 km/h也可达515 N·m的轮边扭矩输出。因此，驱动电机的功率、转速和转矩完全能满足常用工况下教练车的培训需求。

电机具有良好扭矩、转速可调性，在工况设定上，可以通过燃油车的工作特征进行调校，调节电机工况，让电机可以类似汽油机进行工作。

2.2.3 车辆起步与考试规则的匹配性

考试中，车辆平地起步和陡坡起步，都是考试的重点和难点。从车辆点火开始，完全承接燃油考试车的要求，某公司纯电动驾考车采用钥匙点火模式，分为LOCK、OFF、ACC、IGON、START几个钥匙档位。在保证车辆安全和人员安全的前提下，档位必须挂到N挡，离合踩下，钥匙拧到Start挡，车辆仪表显示Ready绿色图标，发动机（电机）转速达到800 r/min时，才表示点火成功；点火时，声音模拟器会模拟发出发动机点火时的声音，车身会瞬间抖动。

平地起步时，踩下离合后挂挡，松手刹，离合缓慢松至车身开始抖动并移动，保持半离合状态，车身开始缓慢移动，当车身速度上到一定时，才缓松完离合，不踩油门的情况下，车辆会平稳怠速（5 km/h）行驶；如果离合松得太快，车辆要么熄火，要么窜动。

陡坡起步时，踩下离合、刹车后挂挡，松手刹，离合缓慢松至车身开始抖动，松刹车，保证车辆不后溜，再稍抬一点离合，车身开始怠速移动（离合片磨损较小的情况下，挂1挡，车辆在不踩油门、半离合状态下可以爬上10%的斜坡）。离合控制不好的情况下，车辆会熄火或窜动加剧。以上所有表现，某公司研制的纯电动手动挡驾考车跟燃油车完全一致。

2.2.4 车辆加速力矩对比

由于电动驾考车和燃油驾考车采用同样的手动变速箱，因此动力输出值轮边数比和力矩特征相同，两种车辆各挡位加速力矩-車速曲线如图2所示。

从力矩-车速曲线可以看出，电动车加速力矩水平与燃油车相当，不同点在于：为了避免学员持续加速带来危险，电动车相比燃油车各挡位的降扭点更提前。在完全符合机动车驾驶人考试系统通用技术条件情况下进行这样的调校。

2.2.5 熄火抖动方案与考试规则匹配性

考试规则中有明确要求，车辆在行驶中，如果驾驶不当，造成车辆熄火会扣分；电动车因电机的特性，本不存在熄火的问题，但为了适应驾驶考试、培训的需要，该纯电动手动挡驾考车特意模拟了燃油车各种熄火特征：半离合起步控制不当熄火；起步挂挡错误熄火；行驶中挡位不匹配车速熄火；挂挡下，刹车控制不当熄火；熄火前模拟发动机特性（抖动），提示驾驶者转速过低，需增加发动机（电机）转速，方法是踩下离合或轻踩油门。操作方法完全跟燃油车一致。

2.2.6 抖动熄火设计逻辑

起步离合器控制不当导致抖动和熄火的原因为：发动机在运行过程中有转速死区，低于怠速时会燃烧不稳定，易产生“呛熄火”现象。发动机转速过低时，发动机控制器会自动控制喷油，偏浓的燃油产生较大的扭矩，自救式拉升转速，形成扭矩波动（这种策略为防熄火策略）。其次，发动机因自身旋转部件惯量较大，在这种剧烈转速波动时伴随较强的振动感。目前已有技术模拟熄火和抖动策略存在明显缺点：按照简单转速进行判断抖动并熄火，这样发动机一旦出现抖动就判定熄火，与实际燃油车工作特征不符合。实际燃油车发动机有个自动喷油自救拉升，或者操纵离合脱开发动机可能不会熄火。为了贴切地模拟燃油车的工作特征，实现类似燃油车的驾考体验，设计了抖动区、熄火区、怠速区的控制方案，实现人与动力系统感官交互良好体验。

3 收益测算

结合某公司开发的纯电动手动挡驾考车的实际训练场景，单车一年油费能够节省3～4万元，保养费用节省约2 000元/年；驾考车每天工作时间为私家车的3～4倍，尾气污染较大，新能源车能有效降低尾气排放；驾考车可利用夜间削峰填谷集中充电，用电成本低，车辆利用率高。驾校教练车单车收入支出试算模型如表3所示。

4 结语

面对新能源化和低碳绿色发展的必然趋势和驾培行业运营利好，电动C1型驾考车有较好的推广价值，申请针对GA 1029-2022《机动车驾驶人考试场地及其设施设置规范》中第8.2.4条“应需驾驶人操作离合器、换挡杆才能完成的换挡操作，驱动动力装置应为内燃机”的描述[5]，建议修改为：

a.“……应需要驾驶人操作离合器、换挡杆才能完成的换挡操作，变速操纵系统应真实手动变速箱，驱动动力装置为内燃机或电机”。

b.“……应需要驾驶人操作离合器、换挡杆才能完成的换挡操作，驱动动力装置应为内燃机或电机，如果采用新能源电机作为驱动力装置，变速操纵系统应真实手动变速箱和离合器，在操控方面达到内燃机车辆等同水平”。

若能达成以上修改目的，某公司开发的纯电动手动挡驾考将得到更进一步的推广应用，经济效益和社会效益将会加速凸显出来。

参考文献：

[1]肖俊仿纯电动轿车基础[M]武汉：湖北科学技术出版社，2018.

[2]童维勇，陈兴钊纯电动教练车模拟燃油车的控制策略分析与实现[J]汽车电器，2020（8）：6-9.

[3]马文胜燃油教练车电动化技术研究[D]石家庄：河北科技大学，2018.

[4]娄飞鹏，康照强，张凯方一种纯电动教练车的实现方法[J]汽车电器，2016（1）：10-12.

[5]GA 1029-2022 机动车驾驶人考试场地及其设施设置规范[S]

作者简介：

周保平，男，1968年生，高级工程师，研究方向为新能源车辆。