基于某燃油载货车的油改电方案设计及改制

李威华 刘晓峰

比亚迪汽车工业有限公司 广东深圳 518112

1 前言

在能源危机和环境污染问题的压力下，寻找替代石油的新能源车成了必然的选择。世界各大汽车公司以及国内各大科研机构和高等院校纷纷致力于开发清洁能源汽车，新能源汽车获得了长足发展。

美国某快递公司目前正积极推进和采购新能源车，已有12%（约1 300辆）的传统动力车辆被置换为天然气车辆，已购置约2 000辆丙烷驱动新能源车，在新能源车辆上累计投资逾7.5亿美元。未来此公司将重点发展电动卡车，目前已向不同供应商采购超过100台纯电动物流载货车展开试运营。

为满足客户运营路况和车辆性能需求，同时减少整车开发成本，笔者在一辆传统燃油动力车辆的基础上进行改制，开发定制了一款高续驶里程、动力性能不逊色于同类传统动力车辆的纯电动载货汽车。

2 现有技术的缺点

目前有一种微型纯电动物流车，该车型利用微卡底盘进行改装，动力电池组由一个大电池包，两个小电池箱构成，车载充电机与DC/DC作成集成式结构，构成集成元器件，可使电动物流车具有高续驶里程，行驶安全稳定、车载能力大的优越性能。

但是，高续驶里程纯电动物流车结构布置的不足之处在于：a.该车型是在微卡底盘基础上改装，不适用于中型卡车底盘，中型卡车底盘需重新设计；b.该车型的电池箱、驱动电机、驱动电机控制器、高压配电盒及集成元器件这些质量较大的零部件相对都集中在车辆中后部。车辆在满载的状态下，整车的轴荷分配存在不合理的风险，后轴荷偏大，易造成轮胎异常磨损，安全系数降低；c.该车型的驱动电机是通过传动轴与后桥连接，其与传统前置后驱的汽车一样，不能省去传动轴，增加了制造成本并提高了车辆故障率。

另外，以发动机为动力源的传统中型燃油物流车的不足之处在于：a. 发动机在驾驶室下方，噪声大，对驾驶舒适性影响很大，同时对周边的环境和人也造成影响，使人易感到烦躁；b.发动机的排放物对环境影响大；c.发动机的能源利用率低，传动系统复杂，损耗大，加剧了能源危机和环境污染；d. 传统物流车油耗大，使用成本高。

3 产品开发需求及总布置方案

3.1 产品开发需求

纯电动载货汽车是在客户提供的传统燃油动力车辆基础上进行改制的，开发车型轴距为5 337 mm，最大总质量为10 660 kg，采用磷酸锂铁电池和单电机集成桥作为整车动力源；动力性能不低于改装前的传统燃油动力车辆要求；续驶里程满足美国城市道路每日行驶里程150 km。原车技术参数及设计目标，如表1、2所示。

表1 原车技术参数

表2 纯电动载货车设计目标

3.2 总布置方案

在保持现有传统燃油车轴距不变情况下，采用单电机集成桥，峰值扭矩550 Nm，峰值功率150 kW，提升整车加速能力和爬坡度，同时在单电机集成桥增加P挡驻车功能，满足美国当地用车习惯； 采用磷酸锂铁电池， 总电量1 4 5 kWh，电压平台540 V，满足整车高续驶里程需求；车内暖风系统采用PTC加热器和电动水泵替代原车的热源及动力源，保证车辆的暖风功能正常使用；增加高压电控系统，保留原车车身、制动系统、行驶系统（不含驱动桥）、转向系统（更换动力源）不变，以及其余主配置保持与原车一致，提高产品通用性，减少开发成本。

根据上述改制方案，一种中型短头式纯电动物流车的布置形式是：动力电池、双向逆变充放电式电机控制器、单电机集成桥在底盘下方中后部；整车控制器、P挡控制器、PTC加热器、电动水泵、动力电池管理器、维修开关、高压配电箱、三合一控制器布置在底盘上方的驾驶室前舱；交流充电插座布置在货箱尾门处；中电池包箱在第一横梁与第二横梁之间，左、右电池包箱在车架中前部外两侧。如图1、2所示。

4 各系统关键产品参数确定

图1 某中型新能源载货车总布置正视图

图2 某中型新能源载货车底盘总布置俯视图

式中：Pm为电机功率，kW；m为车辆总质量；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；AA为迎风面积；ρ为空气密度；VV为车辆运行速度，汽车与空气的相对速度为Va（ 风速为0时V V=Va） 。常用的系数定义可参考参考文献[8]。

最高车速是考量汽车性能的重要指标。汽车在达到最高车速时，车辆的驱动力与行驶阻力达到平衡，不考虑坡道的影响，此时汽车的阻力主要是滚动阻力与空气阻力。电机的最高功率平衡方程为：

式中，Pmmax为电机最大功率，kW。

在某一车速下电动机的转矩需求为（忽略坡道及加速阻力）：

式中，Tm为 电动机转矩，Nm；γ为动态滚动半径，mm；ig为变速器减速比；i0为主减速器减速比；其他参数定义同上。

车辆最大爬坡度指的是满载状态下，车辆以10 km/h 运行匀速爬坡能力。电机的最大转矩需求为：

式中，Tmmax为电机最大转矩。

4.1.2 传动比选择

电动机具有很大的启动转矩，具有低速恒转矩、高速恒功率的特点，能够根据车辆需求输出转矩和转速。电动汽车传动比的选择需要满足最高车速和最大爬坡度的要求。选定电机后，电机的最高转速与最大转矩随之确定，这就需要选择合适的传动比来满足车辆的性能要求。

a.最小传动比的选择：

式中,nmmax为电机最高转速，r/min。

b.最大传动比的选择：

式中,famax为最大爬坡状态下的行驶阻力。

4.1.3 单电机集成桥

在传统燃油动力车辆基础上，将变速箱、传动轴及后桥拆卸下来，采用单电机集成桥、P挡控制器及TCU控制器。单电机集成桥集成了驱动电机、两挡自动变速箱自动电液换挡控制模块、后桥及P挡锁机构于一体，极大地提高了动力的传递效率，提升了整车的动力性和经济性，如图3、4所示。其集成的变速箱箱体由铝合金铸造，比铸铁箱体轻60%至70%,环保、抗锈、优良的导热性、易于机加工，同时省去此处的传动轴，节约制造成本及降低车辆的故障率。单电机集成桥的电机、变速箱参数如表3、4所示。

图3 单电机集成桥前视图

图4 单电机集成桥俯视图

表3 单电机集成桥电机参数

4.1.4 动力电池组参数的选择

电动汽车动力电池组是电动汽车的能量来源，由很多个电池单体通过先并联后串联的方式组成。电池组的总电压取决于电机控制器的输入电压范围，电池组的总容量则取决于整车性能要求，既包括加速性能又包括续驶里程。

a.由加速性能选择单体电池数量

式中，Pmmax为 电动汽车峰值功率，kW；Pbmax为单体电池最大输出功率，kW；ηe为电动机工作效率；ηe c为电机控制器工作效率。

b.由续驶里程选择单体电池数量

式中，S为设计续驶里程，km；Q为车辆行驶1 km所需的电量，kW；Cb为单体电池额定容量，Ah；Vb为单体电池额定电压，V。

4.1.5 动力电池

在传统燃油动力车辆基础上，将发动机及附件拆卸下来，采用磷酸锂铁电池和电池管理控制器，动力电池总电量145 kWh，电压平台540 V，电芯容量270 Ah。电池管理器主要用于实时监测动力电池的运行工作状态，包括电池充放电过程的电流、电压、温度等参数，使电池处于良性工作状态，保证车辆可靠运行。

动力电池在底盘中是质量最重、体积最大的零部件总成，其布置直接影响整车的轴荷分配和车架强度，且会影响其他零部件的布置。为满足以上所述要求和满足整车高续驶里程的要求，动力电池分成三个电池包箱，分别为中电池包、左电池包、右电池包。中电池包布置在驾驶室正下方，车架内侧及前桥后方，利用其前方的横梁及大梁固定电池包的托架以保证安装强度要求；左、右电池包分别布置在车架中前部外两侧，也利用车架大梁固定电池包的托架以保证安装强度要求。如图5、6所示。

图5 动力电池包俯视图

图6 动力电池包后视图

4.2 电控系统

4.2.1 整车电控系统组成

根据功能实现的不同，整车电控系统主要分为电池充放电控制系统、电机控制系统、辅助控制系统，其系统框图如图7所示。电池充放电控制主要由主电池管理器、辅助电池管理器、双向逆变充放电电机控制器等控制模块实现，保证电池正常的充放电过程，充电方式采用交流充电。电机控制功能主要由整车控制器和双向逆变充放电电机控制器实现，保证电机正常的动力输出。辅助控制系统主要三合一控制器组成，主要实现转向电机控制、空气压缩机控制、DC-DC控制等功能。

图7 整车电控系统组成

4.2.2 驱动电机控制器

选用额定功率为180 kW的驱动电机控制器，满足单电机集成桥的最大功率需求。

4.2.3 DC与辅助电机控制器

此控制器集成转向电机控制器和DC-DC变换器功能。转向电机控制器额定功率为5 kW，峰值功率10 kW，满足转向电机油泵额定功率4.7 kW，峰值功率9 kW需求；DC-DC变换器将动力电池高压540 V电转化为28 V低压电，供整车使用以及在蓄电池馈电时给蓄电池充电，DC输出功率3.5 kW，满足整车低压用电需求。

4.2.4 高压配电

高压配电主要由高压配电箱来完成，它利用高压接触器、维修开关、高压保险等在动力电池进行充电或放电时接通相应充放电回路，并集成预充电阻、霍尔电流传感、烧结检测光耦等器件协助驱动电机控制系统、空调系统、冷却系统和DC与辅助电机控制系统完成预充功能、检测直流母线电流值以及高压接触器是否损坏等功能。

4.3 空调系统

4.3.1 暖风系统

由于传统燃油动力车辆的发动机被拆卸下来，暖风系统的动力源及热源由电动水泵和PTC加热器替代。通过选用流量为33 L/min的电动水泵，满足流量25 L/min的需求。通过热负荷计算选用额定功率为6 kW的PTC加热器，满足驾驶室热负荷4.5 kW的需求。暖风箱体仍旧使用原车的箱体不变。

4.3.2 制冷系统

制冷系统用于动力电池包冷却系统的热交换，带走动力电池包产生的多余热量，维持动力电池包在合理的温度范围内工作。通过动力电池包冷负荷和冷凝器热负荷的计算，选用额定功率为3 kW的压缩机和热负荷能力为5 kW的冷凝器，满足动力电池包冷负荷2.7 kW和冷凝器热负荷4.6 kW的需求。

4.4 冷却系统

4.4.1 底盘冷却系统

底盘冷却系统的布置方案为：电动水泵（1个）将冷却液增压并以一定的流量依次泵入DC与辅助电机控制器、驱动电机控制器、驱动电机的水套中；冷却液从水套中流过时吸收水套壁的热量而升温，后经过冷却系统回水管进入散热器（1个）进行降温；电子风扇（1个）加快散热器周围的空气流动，从而使散热器吸收的热量很快地散发到大气中；最后冷却液经过散热器出水管回到水泵，如此进行不断的循环；在此过程中，系统中残留的气体可以通过散热器进水口设置的排气口以管路连接进入膨胀水箱（1个）后排出，而且损失的冷却液也可以通过膨胀水箱进行补充。具体的冷却循环回路如图8所示。

图8 底盘冷却循环回路

4.4.2 动力电池冷却系统

动力电池冷却系统的布置方案为：电动水泵将冷却液增压并以一定流量先泵入板式换热器（1个）进行降温，然后泵入三个电池模组中，冷却液从电池包内部水路流过时吸收热量而升温，后经过冷却系统回水管回到水泵。板式换热器通过空调冷媒的输入进行热交换。在冷却过程中，系统中残留的气体可以通过通过管路中设置的排气口以管路连接进入膨胀水箱（1个）后排出，而且损失的冷却液也可以通过膨胀水箱进行补充。具体的冷却循环回路如图9所示。

图9 动力电池包冷却循环回路

4.4.3 冷却系统关键零部件选型

根据散热器散热面积、电子风扇风量、电动水泵流量及膨胀水箱容积的计算结果及各个零部件的性能参数，可以得到表5、6的结论，可见底盘及动力电池冷却系统关键零件选型满足使用要求。

表5 底盘冷却系统关键零部件选型结论

表6 动力电池冷却系统关键零部件选型结论

4.5 转向系统

保留原车转向系统的整体方案，采用转向电机油泵作为转向系统的动力源，根据转向器内部参数，计算需求油泵最大压力为9.3 MPa，最大流量为9.5 L/min，选用最大压力为15 MPa，最大流量为15 L/min的转向电机油泵，满足需求。

4.6 其余系统

制动系统、行驶系统、车身及驾驶室线束保留原车方案，其中车架孔位根据实际情况补焊及开孔，尽量借用原车孔位；车架横梁在满足强度前提下根据动力电池包布置调整以及新增横梁；后板簧U型螺栓根据单电机集成桥与板簧匹配重新选型。底盘低压线束和高压线束重新开发设计。

5 基于Matlab软件的改装后整车性能仿真

5.1 仿真模型建立

在Matlab软件中，通过对各个动力系统进行建模，设定仿真边界条件：电池初始SOC为1（100%），终止SOC为0.05（5%）。分别进行车辆空载、半载、满载状态下的各项性能仿真。在Matlab软件中建立公差模块、工况模块、电池模块、电机模块、行驶阻力模块、换挡模块等进而完成了改装后的纯电动载货车仿真模型，如图10所示。用到的驱动电机外特性曲线，如图11所示。

图10 改装后纯电动载货车Matlab仿真模型

图11 驱动电机外特性曲线

5.2 仿真动力性结果分析

通过Matlab 软件建立仿真模型，分析最高车速、加速性能和爬坡性能，性能仿真结果，如表7所示。加速性能曲线如图12、13所示，满载爬坡性能曲线如图14所示。

表7 加速性能仿真结果

5.3 续驶里程分析

根据客户载货物流车的在美国路况运行特点，分别计算该车空载、半载和满载在匀速40 km/h车速和城市循环工况（UDDS）下的续驶里程，仿真结果如表8 所示。

图12 半载加速时间曲线

图13 满载加速时间曲线

图14 满载爬坡度-速度曲线

6 实车测试验证

6.1 主要参数对比

本车型改制完成后如图15所示，并对改装前后的测试数据以及现有微型纯电动物流车的数据对比如表9、10所示。

表9 动力经济性参数对比

表10 动力电池及充电参数对比

通过表9、10可以看出，经过改制后的中型纯电动物流车在保证动力性不下降和高续驶里程的前提下，解决了改装前燃油车噪声大，环境污染，能源利用率低，使用成本高的问题，同时了提高驾驶舒适性；较现有的微型纯电动物流车提高了动力性能和续驶里程，充电时间较短。

6.2 轴荷分配对比

中型燃油物流车改装前后的轴荷分配如表11所示。

表11 轴荷分配对比

由上表可看出，改装前后的满载状态下轴荷分配相差不大，在允许变动的范围内，说明质量较大的关键零部件整体布置在车辆的靠近中前部是合理的，解决了现有微型纯电动物流车在满载的状态下，整车的轴荷分配存在不合理造成后轴荷偏大，易造成轮胎异常磨损，安全系数会降低的问题。

7 结语

在传统能源载货车基础上进行纯电动载货车的研发改制，主要研究了中型载货车纯电驱动改装的设计方案，基于客户载货物流车底盘的结构参数，进行了动力系统纯电驱动改装的匹配设计，并对转向、冷却、空调及电控系统关键零部件选型。根据整车设计目标的要求，通过车辆动力学计算，确定了驱动电机、动力蓄电池系统的主要参数和结构类型。在Matlab软件内，对改装后的纯电动载货车进行了动力学建模，依托这个模型，对改装后的纯电驱动载货车进行了性能仿真。仿真结果及实车测试数据表明:在不影响改装前车辆的动力性下，解决了传统燃油车和微型纯电动物流车技术缺点的问题，并且满足客户运营路况及续驶里程要求，整个改制匹配设计方案是可行的。