某重型越野汽车底盘上装一体化电动改装方案分析

王凯 马福龙 杨武 贺小波 牟鑫

摘要：针对某重型越野汽车交付后用户提出静默行驶的新需求，基于并联式混合动力系统，根据集成共享的设计理念，提出了底盘与上装一体化电动改装方案。以动力性及续驶里程指标为要求，进行动力系统主要元件选型计算；以整车最大设计总质量为限定条件，对改装方案进行分析，验证了方案的可行性。

关键词：重型越野汽车；并联式混合动力系统；一体化电动改装

中图分类号：U463.1  收稿日期：2024-03-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406008

1 前言

某重型越野汽车采用6×6全驱底盘，长距离公路行驶时，由底盘发动机驱动。到达工作场地后，底盘发动机停机，由上装柴油发电机驱动上装系统工作。该重型越野汽车交付用户试用一段时间后，根据具体使用环境，用户提出了静默行驶的新需求。本文基于底盘上装一体化设计理念，对该重型越野汽车提出了电动改装方案。

2 整车基本参数

该重型越野汽车整车基本参数见表1，电动化改装后整车总质量应不超出最大设计总质量限值。

21 原车动力系统及动力性指标

该重型越野汽车电动化改装前（以下简称原车）采用直列六缸柴油机、手动机械变速器、双速全时分动器的6×6全驱动力系统［1］，其结构简图见图1。原车主要动力性指标见表2。

22 电动化改装方案

为满足静默行驶工况，对该重型越野汽车底盘与上装进行一体化电动化改装，方案结构简图见图2。

底盘采用单电机+自动变速器的并联式混合动力系统，电机位于发动机与自动变速器之间，电机与发动机同轴安装并带有自动离合器。电机控制器及电池模块布置于上装，电池与上装用电设备共享。发动机和电机都能对汽车直驱，且可多挡调速，动力性较好。汽车具备常规动力、纯电动、混合动力三种驱动模式［2］。其中纯电动模式可满足静默行驶工况要求，该工况下汽车主要性能指标需求见表3。

3 驱动电机参数计算与选型

31 电机功率计算

越野汽车一般要求其具有较大的爬坡度，考虑到爬陡坡工况的功率平衡方程为：

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

311 峰值功率

汽车处于最高车速行驶、爬陡坡、急加速等高负荷工况下对驱动电机的功率需求大，应分别对这三种工况下需求功率进行计算。

按水平路面应达到的最高车速计算：

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

按最大爬坡度计算：

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

式中，[uα]为汽车最大爬坡度对应的车速。

按加速时间计算：

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

式中，[ut]为汽车急加速终了时刻的车速；[t]为汽车从车速为0加速到[ut]所用的时间；x为拟合系数，一般取05。

动力源总功率必须同时满足上述三项动力性指标，因此总功率为：

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

将表1中参数及表2指标代入式（2）～式（5），计算得到驱动电机峰值功率应大于1936 kW。

312 额定功率

额定功率是指汽车在常用工况行驶时的功率需求。该重型越野汽车以纯电动模式运行时在水平路面匀速行驶车速为60 km/h，将上述要求代入式（2），可得按车速指标计算的额定功率[P1]。该重型越野汽车在10%坡度匀速爬坡车速10 km/h，将上述要求代入式（3），可得按爬坡指标计算的额定功率[P2]。额定功率必须满足常用车速及爬坡性能指标，因此额定功率为：

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

计算得到驱动电机额定功率应大于863 kW。

32 电机扭矩计算

对于爬坡度较大的越野汽车，其行驶方程式为：

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

式中，[i]为汽车纯电动模式下传动系总传动比。

321 峰值扭矩

该重型越野汽车以纯电动模式运行时，按最大爬坡度要求，根据式（8）计算得到电机的峰值扭矩应大于5824 N·m：

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

322 额定扭矩

纯电动模式运行时，根据驱动电机额定功率按式（9）计算得到额定扭矩应大于2791 N·m：

[Te=3 600Perui]                              （9）

33 电机转速计算

汽车纯电动模式行驶过程中，车速与驱动电机转速之间的关系如下：

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

331 峰值转速

将该重型越野汽车纯电动模式最高车速指标代入式（10），计算可得电机峰值转速[nmax]应大于1 5583 r/min。

332 额定转速

将该重型越野汽车纯电动模式额定车速指标代入式（10），计算可得电机额定转速[ne]应大于9842 r/min。

34 驱动电机选型

电动汽车用驱动电机要求具有重量轻、体积小、高效率、高可靠性等特点。目前电动汽车常用的驱动电机主要为永磁同步电机及交流异步电机两种。永磁同步电机具有较高的比功率、体积更小、质量更轻、输出转矩更大。其低速高效率特性适合越野汽车在越野路面低速行驶的使用要求，同时具有优异的制动性能，可实现制动能量回收，增加汽车纯电动模式续驶里程。因此选用永磁同步电机作为该重型越野汽车的驱动电机，其具体参数见表4。

表4 驱动电机参数

[项目      峰值       额定       功率，kW      200  100  扭矩，N·m  2 100      930  转速，r/min   3 000      1 078      ]

4 动力电池组参数计算分析

41 动力电池组功率计算

动力电池功率要能满足加速时电机驱动整车的功率要求，考虑转向器、空压机、热管理系统等附件损耗功率后，应大于驱动电机的需求功率，即：

[Pb≥Pmax+Pa]                         （11）

式中，[Pb]为动力电池功率；[Pa]为附件损耗功率，取30 kW。

根据式（11）计算可得，电池功率至少应大于230 kW。

42 动力电池组能量计算

动力电池储存的能量越多，汽车纯电动续驶里程就越长，动力电池能量计算公式如下：

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

式中，[Eb]为动力电池能量；[Δsoc]为动力电池荷电状态，为防止过放取值为08；[Pm]为电机驱动功率；[Pg]为再生制动功率；t1、t2、t3分别为电机驱动时间、附件工作时间、再生制动能量回收时间；[ηm]、[ηbd]、[ηa]、[ηbc]分别为电机效率、电池放电效率、附件效率、电池充电效率。

在保守计算动力电池能量时，若不考虑能量回收效果，式（12）可简化为：

[Eb≥pmΔSOCSue]                              （13）

式中，[S]为纯电续驶里程；[ue]为纯电行驶车速。

将表3纯电动模式下续驶里程、车速指标及表4选定的驱动电机参数代入式（13），计算可得动力电池组能量应大于2083 kW·h。

43 动力电池组容量计算

动力电池组容量[Q]的计算公式为：

[Q≥1 000EbU]                            （14）

式中，[U]为动力电池组额定电压，与电机控制器额定输入电压相等，目前重型汽车主流的系统电压一般为450～750 V，本方案选取580 V高压系统。根据式（14）计算得到动力电池组容量应大于3592 A·h。

44 动力电池组重量体积计算

目前混合动力汽车可选的动力电池类型主要有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。其中锂离子电池在能量密度方面具有明显优势，且充放电循环寿命和充放电效率较高，主流混动汽车一般均首选锂离子动力电池。为提高电池安全性，便于维修更换，重型车用大容量动力电池组一般采用模块化设计，将大容量电池组分割为多个独立的电池箱。本方案选用的单体电池箱参数如表5所示。

为不降低上装系统性能指标，对该重型越野汽车电动化改装时，在上装部分增加专门驱动底盘电机的动力电池组。同时，该电池组可用上装自带的柴油发电机充电，多余的电能也可为上装补充能源。根据底盘纯电动模式行驶能量需求，应加装8个表5所示的单体电池箱，质量约1 680 kg。

5 结语

本文对某重型越野汽车提出了基于并联式混合动力系统的底盘与上装一体化电动改装方案，通过理论计算，选定了动力系统主要元件。为满足该重型越野汽车在纯电工况下转向及制动功能，还需要加装电动转向助力系统及电动空压机。经统计估算汽车电动改装部分增加的质量约2 600 kg，改装后汽车总质量为20 600 kg，未超出整车最大设计总质量限值，方案可行。

参考文献：

[1]孙逢春电动汽车工程手册[M]北京：机械工业出版社，2019

[2]余志生汽车理论[M]北京：机械工业出版社，2005.

作者简介：

王凯，男，1990年生，工程师，研究方向为整车动力传动系统。