肖黎明 谷 雨

（重慶迪科汽車研究有限公司，重慶400051）

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)汽車市場(chǎng)發(fā)展迅速，產(chǎn)銷量連年上漲。其中乘用車市場(chǎng)增幅最高，而個(gè)人用車市場(chǎng)為增長(zhǎng)主力。隨著個(gè)人用車的普及，學(xué)習(xí)汽車駕駛在近年來形成一股熱潮，這也催生出一個(gè)巨大的駕駛培訓(xùn)市場(chǎng)。

駕駛訓(xùn)練大多都在訓(xùn)練場(chǎng)地進(jìn)行，人員和車輛相對(duì)集中，而場(chǎng)地訓(xùn)練中教練車總是處于低速行駛狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下燃燒效率低下，排氣中有害成分濃度較高，對(duì)場(chǎng)地中的學(xué)員和教練傷害較大。

隨著純電動(dòng)汽車的發(fā)展，國(guó)內(nèi)很多駕駛培訓(xùn)機(jī)構(gòu)提出了發(fā)展純電動(dòng)教練車的需求，期望以電動(dòng)車零排放、低使用成本的優(yōu)勢(shì)改善駕駛培訓(xùn)現(xiàn)狀；國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高，也對(duì)電動(dòng)車替換燃油車起到了一定的推動(dòng)作用。

本方案在現(xiàn)有成熟燃油車型基礎(chǔ)上開發(fā)純電動(dòng)教練車，其優(yōu)點(diǎn)有：

（1）開發(fā)難度低。

市場(chǎng)配套產(chǎn)品成熟度較高，比較容易達(dá)到既定的性能目標(biāo)。

（2）開發(fā)成本低。

開發(fā)周期短，產(chǎn)品短期內(nèi)能上市，見效快。

（3）生產(chǎn)投入低。

生產(chǎn)可以沿用現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備，基本可以做到混線生產(chǎn)。

國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了采用蓄電池或電纜供電的電動(dòng)教練車，這些產(chǎn)品都存在著一些致命的問題，導(dǎo)致純電動(dòng)教練車沒能大規(guī)模普及。

（1）集成水平較低。

改裝后的車輛狀態(tài)變化明顯，無法通過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)審查，不能正常上戶。

（2）改裝手段落后。

對(duì)車輛結(jié)構(gòu)破壞較大，影響整車性能，縮短使用壽命，且無法大批量規(guī)范化生產(chǎn)。

（3）操控感覺差。

由于沒有專門的控制和模擬系統(tǒng)，純電動(dòng)教練車和燃油車輛在操控感覺上完全不同，實(shí)際培訓(xùn)效果差。

（4）持續(xù)行駛里程低。

蓄能裝置能量密度低或者充電線纜長(zhǎng)度有限，都影響了教練車的正常使用。

如何改善現(xiàn)有純電動(dòng)教練車的缺點(diǎn)，成為電動(dòng)教練車能否大規(guī)模推廣、應(yīng)用的關(guān)鍵。

下面將以某前置前驅(qū)車型為例，對(duì)燃油車型開發(fā)電動(dòng)教練車進(jìn)行具體描述。

1 總體方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

（1）開發(fā)車型與原燃油車型一致，為四門兩蓋、五座車型。

（2）基于現(xiàn)有前置前驅(qū)燃油車型改制，對(duì)白車身不做非必要的改動(dòng)。

（3）完全使用電能作為驅(qū)動(dòng)能源，能源系統(tǒng)使用帶電源管理系統(tǒng)的鋰電池。

（4）達(dá)到2016—2020年中央財(cái)政新能源汽車推廣應(yīng)用補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)，最大車速≥100km／h，最大爬坡度20%，保證單次充電后150km續(xù)駛里程。

（5）保留離合器和變速器系統(tǒng)，能模擬普通車輛的操作，控制系統(tǒng)需設(shè)置怠速系統(tǒng)。

（6）滿足GB7258—2012《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》的要求，能獲取牌照和上路行駛。

（7）滿足GB／T28382—2012《純電動(dòng)乘用車技術(shù)條件》的要求。

（8）滿足國(guó)家對(duì)駕駛教練車輛GB7258、GB18565的技術(shù)要求，達(dá)到JT／T198中規(guī)定的二級(jí)車以上技術(shù)條件。

1.2 布置方案

（1）將原動(dòng)力總成中發(fā)動(dòng)機(jī)換為電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)部件（離合器、變速器等）保留，采用直連方式連接（圖1）。設(shè)計(jì)新的懸置系統(tǒng)，保證使用原車懸置安裝點(diǎn)。

圖" 動(dòng)力總成替換方案示意圖

（2）去除機(jī)艙內(nèi)的進(jìn)、排氣系統(tǒng)，在動(dòng)力總成上方增設(shè)電氣安裝板，安裝電機(jī)控制器、充電機(jī)、高壓分線盒和DC—DC轉(zhuǎn)換器。

（3）儲(chǔ)能系統(tǒng)采用磷酸鐵鋰電池，根據(jù)空間布置分為兩個(gè)電池包，一個(gè)位于后排座椅下原油箱位置，另一個(gè)位于后行李箱內(nèi)，需考慮安全防護(hù)裝置和內(nèi)裝飾。

（4）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)基本保持原車狀態(tài)。制動(dòng)系統(tǒng)增設(shè)電動(dòng)真空泵和真空罐。轉(zhuǎn)向助力油泵安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，通過皮帶帶動(dòng)。轉(zhuǎn)向參數(shù)和制動(dòng)力參數(shù)根據(jù)整車質(zhì)量和軸荷變化進(jìn)行調(diào)整。

（5）對(duì)白車身不做結(jié)構(gòu)性調(diào)整，可去除無用的安裝結(jié)構(gòu)，增設(shè)電池包安裝和線纜安裝結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖- 電動(dòng)教練車布置方案示意圖

1.3 小結(jié)

本方案采用成熟的車身平臺(tái)，配置新的電驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成，繼承了原車型的車身、底盤、附件和內(nèi)外飾總成，這些都是經(jīng)過大批量生產(chǎn)實(shí)踐和用戶使用驗(yàn)證的。

該方案成熟穩(wěn)定，并且80%以上的系統(tǒng)和總成都可直接沿用，既降低了開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，又減少了開發(fā)和生產(chǎn)成本，而且采用電驅(qū)動(dòng)在NVH性能、動(dòng)力性能、操控性能和可靠性等方面都體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。

2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

2.1 系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算流程

根據(jù)需要的整車參數(shù)和性能指標(biāo)要求，通過分析計(jì)算，確定滿足目標(biāo)性能的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)。

其主要流程如圖3所示。

圖* 電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算流程圖

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)計(jì)算

2.2.1 計(jì)算用基本參數(shù)列表

計(jì)算用基本參數(shù)如表1所示。

2.2.2 參數(shù)取值說明

（1）空氣阻力系數(shù)。

根據(jù)同類車型的比較，初步確定空氣阻力系數(shù)為0.32。

（2）迎風(fēng)面積。

根據(jù)車身外表面及各種附件的數(shù)模投影計(jì)算出迎風(fēng)面積A＝2.068m2。

表" 計(jì)算用參數(shù)列表

（3）動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率。

根據(jù)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率ηT主要由變速器傳動(dòng)效率η1、傳動(dòng)軸萬向節(jié)傳動(dòng)效率η2、主減速器傳動(dòng)效率η3等部分組成。

式中，η1＝98%；η2＝97%；η3＝95%。

可得：ηT＝98%×97%×95%≈90%。

（4）滾動(dòng)阻力系數(shù)f。

采用推薦的轎車輪胎在良好路面上的滾動(dòng)阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

其中，對(duì)于HR級(jí)輪胎（允許最高車速為210km／h的子午線輪胎），推薦范圍如下：f0＝0.008 1～0.009 8，取0.009；f1＝0.001 2～0.002 5，取 0.002；f4＝0.000 2～0.000 4，取0.000 3；對(duì)于良好瀝青路面，c＝1.2；ua為汽車行駛速度（km／h）。

滾動(dòng)阻力系數(shù)與速度的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖. 滾動(dòng)阻力系數(shù)—速度曲線圖

2.2.3 動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)匹配計(jì)算

根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)控制策略，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率Pmax必須滿足最高車速時(shí)的功率要求Pe，必須滿足加速、爬坡時(shí)的功率要求Pa、Pc，即 Pmax≥max［Pe、Pa、Pc］。根 據(jù) GB／T28382—2012，電機(jī)需滿足以下要求：

（1）滿足最高車速需求的電機(jī)額定功率：

式中，m 為 滿 載 質(zhì) 量 （kg）；g 為 重 力 加 速 度 （m／s2），取 值9.8m／s2；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；umax為整車最高車速（km／h），取值100km／h；CD為空氣阻力系數(shù)；A 為迎風(fēng)面積（m2）；ηT為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率；ηC為電機(jī)效率。

最高車速為100km／h時(shí)，滾動(dòng)阻力系數(shù)f＝0.013 56，代入式 （3），求 得 Pe≥19.23kW，即 電 機(jī)額 定 功 率 Pe≥19.23kW，才能滿足最高車速需求。

（2）滿足最大爬坡度需求的電機(jī)最大功率：

令Pc1為最大爬坡度a＝20%、爬坡速度Ua1＝15km／h時(shí)的電機(jī)最大功率；Pc2為最大爬坡度a＝12%、爬坡速度Ua2＝30km／h時(shí)的電機(jī)最大功率；Pc3為最大爬坡度a＝4%、爬坡速度Ua3＝60km／h時(shí)的電機(jī)最大功率。其中，車速為15km／h時(shí)，滾動(dòng)阻力系數(shù)f1＝0.011 16；車速為30km／h時(shí)，滾動(dòng)阻力系數(shù)f2＝0.011 523；車速為60km／h時(shí)，滾動(dòng)阻力系數(shù)f3＝0.012 287。

代入式（4），求得 Pc1≥19.5kW、Pc2≥24.84kW、Pc3≥21.97kW，即電機(jī)最大功率Pc≥24.84kW，才能滿足最大爬坡度功率需求。

（3）滿足最大爬坡度a＝20%的電機(jī)扭矩：

式中，m 為 滿 載 質(zhì) 量 （kg）；g 為 重 力 加 速 度 （m／s2），取 值9.8m／s2；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；r為車輪滾動(dòng)半徑（m）；i0為主減速比；i1為變速器1擋減速比；ηT為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率；ηC為電機(jī)效率。

車速為15km／h時(shí)，滾動(dòng)阻力系數(shù)f1＝0.011 16，代入式（5），求 得 Tmax≥104.6N·m，即 電 機(jī) 最 大 扭 矩 Tmax≥104.6N·m，才能滿足最大爬坡度扭矩需求。

（4）滿足最高車速需求的電機(jī)轉(zhuǎn)速：

按照最大車速100km／h的要求，暫定使用最高檔減速比，電機(jī)最大轉(zhuǎn)速需滿足：

式中，umax為整車最高車速（km／h），取值100km／h；r為車輪滾動(dòng)半徑（m）；i0為主減速比；i5為變速器5擋減速比。

經(jīng)過式（6）計(jì)算求得nmax≥2 733r／min，即電機(jī)最大轉(zhuǎn)速nmax≥2 733r／min，才滿足最高車速需求。

2.2.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配結(jié)果及分析

根據(jù)上述計(jì)算我們可以得到動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)匹配的計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

表- 動(dòng)力性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

電動(dòng)汽車電機(jī)的三種主要形式是永磁同步電機(jī)、異步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)，三者的優(yōu)缺點(diǎn)如表3所示。

表* 新能源汽車常用驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型對(duì)比

根據(jù)以上計(jì)算和對(duì)比結(jié)果，考慮到批量生產(chǎn)的可靠性，所以選擇永磁同步電機(jī)：額定功率20kW，最大功率45kW；額定轉(zhuǎn)速2 300r／min，最大轉(zhuǎn)速4 500r／min；額定扭矩84N·m，最大扭矩205N·m；工作電壓AC140V。

2.3 電池容量匹配計(jì)算

因本款電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)針對(duì)的是城市交通中經(jīng)常在城市和良好公路上行駛的汽車，所以按照GB／T18386—2005《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》中4.4.5.2條工況法要求，可只使用城市循環(huán)進(jìn)行計(jì)算。

城市循環(huán)時(shí)間為195s，行駛路程為1.017km，平均車速為18.26km／h，最高車速為50km／h，最大減速度為－0.83m／s2，最大加速度為1.06m／s2，?？看螖?shù)為3次。

按照城市循環(huán)工況對(duì)每個(gè)過程進(jìn)行計(jì)算，分為勻速工況與加速工況，以下為勻速和加速工況功率公式：

勻速過程所消耗的功率：

單個(gè)循環(huán)工況的路程為1.017km，所以可以得出要到達(dá)續(xù)駛里程u時(shí)所需的電池電量：

根據(jù)上述公式按照城市工況法進(jìn)行計(jì)算，續(xù)駛里程150km的情況下，所需電池電量為：WB＝29.3kW·h。

經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)，按照60km／h勻速行駛，續(xù)駛里程能達(dá)到180km以上。通常教練車都在培訓(xùn)場(chǎng)地內(nèi)使用，時(shí)速基本都≤40km／h。低速下使用還能使電動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程增大，所以這些電量能滿足教練車每天8～10h的工作使用。

2.4 動(dòng)力電池選擇

目前廣泛使用的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等，正在開發(fā)的還有超級(jí)電容以及發(fā)展遠(yuǎn)景更好的氫燃料電池和薄膜太陽能電池。

考慮到成本和車輛的使用情況，我們選取鋰離子電池作為電動(dòng)教練車的動(dòng)力電池。

現(xiàn)在電動(dòng)車行業(yè)中使用的鋰離子電池主要有以下幾種：

（1）磷酸鐵鋰電池。

它的放電效率較高，倍率放電情況下充放電效率可達(dá)到90%以上。安全性也高于其他電池，理論壽命可以達(dá)到7～8年，實(shí)際使用壽命大約為3～5年。但是磷酸鐵鋰電池的價(jià)格高于其他類型的電池，而且電池容量較小，報(bào)廢后基本上不能回收再利用。

（2）磷酸鐵錳鋰電池。

這種鋰離子電池突破了傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池的能量密度限制，達(dá)到了三元材料水平，而在成本控制上比普通的磷酸鐵鋰更低，是比亞迪主推的產(chǎn)品。

（3）鈷酸鋰電池。

這種電池具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、容量比高、綜合性能突出的優(yōu)點(diǎn)，但是其安全性差，而且成本非常高，主要用于中小型號(hào)電芯。

TESLA電動(dòng)車的電池采用了松下提供的NCA系列18650鈷酸鋰電池，85kW·h電量的 MODEL S車型一共運(yùn)用了8 142個(gè)18650鋰電池。為了保證電池組的安全性，在每一節(jié)18650鈷酸鋰電池兩端均設(shè)有保險(xiǎn)絲，當(dāng)電池出現(xiàn)過熱或過度放電時(shí)，電源管理系統(tǒng)（BMS）會(huì)將保險(xiǎn)絲切斷，以此避免因某個(gè)電池出現(xiàn)異常影響到整個(gè)電池包。

就此來看，鈷酸鋰電池雖然本身存在著缺陷，但是通過與電源管理系統(tǒng)的結(jié)合其安全性能保證，這樣的解決方案還是很適合在純電動(dòng)汽車上使用的。

經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)查和對(duì)比，我們也選取18650型鋰離子電池作為電動(dòng)教練車的動(dòng)力電池。電池由廠家包裝成單元體，單個(gè)單元體由40個(gè)18650型電芯并聯(lián)組成。單元體內(nèi)部設(shè)置電源管理系統(tǒng)，單元體性能如下：容量120Ah、電壓3.6V、質(zhì)量3.1kg。

單個(gè)單元體電量為W單＝120×3.6＝0.432kW·h，滿足續(xù)駛里程150km情況下需求的29.3kW·h電量。

需要電池單元體數(shù)量n為：

考慮到彌補(bǔ)電池的充、放電效率及能量損耗，增大配置電量到30kW·h，確定電池單元體數(shù)量為70塊。根據(jù)空間布置要求分成兩個(gè)大的電池包：前電池包在后地板下，30塊電池單元體；后電池包40塊電池單元體。

3 結(jié)論

經(jīng)過上述布置和計(jì)算校核，以前驅(qū)燃油車型為基礎(chǔ)開發(fā)純電動(dòng)教練車是可行的。

由于使用了鋰電池及新增了電氣設(shè)備，整車采購成本比原車高一倍以上，但根據(jù)中央財(cái)政對(duì)新能源汽車推廣應(yīng)用補(bǔ)助政策，電動(dòng)教練車可以獲得國(guó)家補(bǔ)貼，同時(shí)各省市還對(duì)新能源車輛有地方性的補(bǔ)貼。再加上國(guó)家對(duì)新能源車輛免稅、不限牌等種種優(yōu)惠政策，實(shí)際采購成本還可能會(huì)低于常規(guī)車型。

電動(dòng)教練車在節(jié)能減排上效果明顯，同時(shí)維護(hù)簡(jiǎn)單、使用效率高、使用費(fèi)用低，能明顯降低駕駛培訓(xùn)的成本。隨著社會(huì)對(duì)節(jié)能減排的呼聲越來越高和政府的積極導(dǎo)向，教練車這個(gè)相對(duì)封閉的領(lǐng)域也會(huì)慢慢地向著新能源方向發(fā)展，此時(shí)開發(fā)純電動(dòng)教練車也是順應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。

［1］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［2］劉惟信.汽車設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［3］王震坡，孫逢春，劉鵬.電動(dòng)汽車原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

［4］王榮兵.純電動(dòng)C照教練車研制［J］.電子設(shè)計(jì)技術(shù)，2013（10）：30－31.

［5］王鉦強(qiáng)，宋書全.純電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.汽車技術(shù)，2013（2）：26－28.

［6］佳偉.電動(dòng)汽車的心臟：4種電池技術(shù)一覽［EB／OL］.［2014－08－12］.http：／／www.leiphone.com／news／201406／h－electskill－view.html.