楊 兵，陳 勁，雍 躍，張 勇，李建祥，鐘洪亮，彭一彥

全地形特種車(chē)輛電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)化研究及技術(shù)展望

楊 兵，陳 勁，雍 躍，張 勇，李建祥，鐘洪亮，彭一彥

（重慶嘉陵全域機(jī)動(dòng)車(chē)輛有限公司，重慶 402760）

論文分析以汽油、燃?xì)夂筒裼蜑槿剂系奶胤N全地形車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)升級(jí)改造難點(diǎn)問(wèn)題，提出了特種全地形車(chē)的一種電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)電驅(qū)動(dòng)單元模塊深度融合進(jìn)行技術(shù)迭代，達(dá)成硬件平臺(tái)化、模塊化高度集成技術(shù)，從而降低產(chǎn)品成本以及提升電驅(qū)動(dòng)效率，為探索未來(lái)特種全地形車(chē)電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展提供研究方向。

特種全地形車(chē)；電驅(qū)動(dòng)；平臺(tái)化；模塊化；輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)

隨著新一輪汽車(chē)產(chǎn)業(yè)基于能源、互聯(lián)和智能的革命，車(chē)輛電驅(qū)動(dòng)技術(shù)整體呈現(xiàn)出平臺(tái)化、集成化、智能網(wǎng)聯(lián)化、高壓化發(fā)展趨勢(shì)[1]。

電驅(qū)動(dòng)技術(shù)指應(yīng)用電力電子技術(shù)和控制技術(shù)，將發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)以及控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的技術(shù)，另外，高度集成的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還集成電源補(bǔ)給系統(tǒng)，形成多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)裝置具有無(wú)級(jí)調(diào)速、任意半徑轉(zhuǎn)向、沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)換擋的沖擊振動(dòng)以及加速性、靈活性高、部件布置方便和模塊化實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等很多優(yōu)點(diǎn)。采用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)于特種車(chē)輛來(lái)說(shuō)具有布置靈活、越野和機(jī)動(dòng)性能好、能夠靜默行駛、效率高、環(huán)保等特點(diǎn)。在軍事領(lǐng)域還具有儲(chǔ)能大、能為高能武器提供能量等特點(diǎn)，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

早期的電驅(qū)動(dòng)總成的主要構(gòu)成包括電機(jī)、電控以及減速器，且各自采用較為傳統(tǒng)的垂直獨(dú)立供應(yīng)商。隨著新能源車(chē)輛更加苛刻的電耗目標(biāo)，電驅(qū)系統(tǒng)效率的提升成為其追求的目標(biāo)，以提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

集成化成為電驅(qū)動(dòng)總成發(fā)展的技術(shù)趨勢(shì)之一，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成化有效縮短了各部件之間的距離，可以減小甚至省去高壓線(xiàn)束，降低成本的同時(shí)，縮短電力傳遞路徑，降低損耗，提升系統(tǒng)效率，優(yōu)化車(chē)企流程，智能化演進(jìn)等。

1 電驅(qū)動(dòng)總成集成技術(shù)路線(xiàn)

1.1 硬件集成

第一代電驅(qū)集成以電機(jī)、電控、減速器等單體為主。第二代電驅(qū)技術(shù)逐步由單一的機(jī)械集成向一體化集成的3 in 1快速迭代。第三代在智能化的加持下，基于電控系統(tǒng)軟硬深度融合的多合一all in one電驅(qū)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)也得到發(fā)展[2]。

All in one電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成了驅(qū)動(dòng)電機(jī)（E- Motor）、電機(jī)控制器（Invertor）、減速器（Gear-Box）形成電驅(qū)三合一，由充電機(jī)+交直流轉(zhuǎn)換（OBC+ DCAC）、直流轉(zhuǎn)換器（DCDC）、高壓分線(xiàn)盒（PDU）形成的電源補(bǔ)給三合一。

高度集成的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完全集成了驅(qū)動(dòng)、控制、電源模塊，功率密度提升到1.81 kW/kg左右，基于中國(guó)汽車(chē)行駛工況的綜合使用效率工況預(yù)估在85%，其成本較上一代有下降，預(yù)計(jì)48元/kW。集成化程度決定了綜合效率和成本。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1.2 模塊擴(kuò)展

鑒于不同整車(chē)的峰值功率、百公里加速、最高車(chē)速、最大爬坡度要求不同，多合一電驅(qū)動(dòng)總成各分模塊再進(jìn)行優(yōu)化組合，調(diào)整減速器速比，調(diào)整定轉(zhuǎn)子疊長(zhǎng)，調(diào)整控制器的電壓等級(jí)，來(lái)滿(mǎn)足不同車(chē)輛對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以分成若干個(gè)功率等級(jí)平臺(tái)，大平臺(tái)、中平臺(tái)、小平臺(tái)單元。由于一車(chē)一機(jī)，平臺(tái)化困難，單一產(chǎn)品量綱少，開(kāi)發(fā)成本高、產(chǎn)品降本困難，零部件以國(guó)內(nèi)供應(yīng)商為主開(kāi)發(fā)，面向未來(lái)的先進(jìn)性不足、產(chǎn)品制程質(zhì)量控制不穩(wěn)定。面臨這些問(wèn)題，平臺(tái)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。經(jīng)過(guò)技術(shù)、成本測(cè)算評(píng)估，大平臺(tái)單元單體功率為150 kW左右，中平臺(tái)單元單體功率為100 kW左右，小平臺(tái)單元單體功率約為70 kW左右。以此平臺(tái)為基礎(chǔ)，進(jìn)行功率優(yōu)化組合。如圖2所示。

圖2 電驅(qū)動(dòng)功率平臺(tái)

1.3 搭載整車(chē)動(dòng)力性匹配

功率范圍為5 kW～70 kW的電驅(qū)總成搭載整車(chē)的重量范圍約在500 kg～1 200 kg；功率范圍為70 kW～100 kW的電驅(qū)總成搭載整車(chē)的重量范圍約在1 200 kg～2 000 kg；功率范圍為150 kW～200 kW的電驅(qū)總成搭載整車(chē)的重量范圍約在 2 000 kg～3 500 kg。

若整車(chē)需要300 kW，最優(yōu)的技術(shù)解決方案為由兩個(gè)單體功率為150 kW單體進(jìn)行組合。具體根據(jù)整車(chē)的用途以及動(dòng)力需求進(jìn)行局部模塊優(yōu)化迭代，進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)分，在150 kW大平臺(tái)、100 kW中平臺(tái)、70 kW小平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，功率拓展平臺(tái)最大范圍為5 kW～200 kW范圍內(nèi)變動(dòng)。

圖3 動(dòng)力性匹配

從整車(chē)技術(shù)發(fā)展層面分析，3.5噸級(jí)及以下全地形特種車(chē)輛可采用“雙側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)”方案，重型車(chē)輛的電驅(qū)動(dòng)一般采用“機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)”方案。動(dòng)力系統(tǒng)普遍為串聯(lián)式混合動(dòng)力。電驅(qū)車(chē)輛動(dòng)力性匹配如圖3所示[3]。

2 高密度電驅(qū)技術(shù)展望

由于特種全地形車(chē)輛對(duì)機(jī)動(dòng)能力要求很高，發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用高功率密度永磁同步電機(jī)（10 kW/L、90 Nm/L），儲(chǔ)能部件選用高功率/高能量密度鋰離子電池（120 Wh/kg、8 kW/kg），需要采用基于新一代輪轂電機(jī)或者輪邊電機(jī)的分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以滿(mǎn)足對(duì)高機(jī)動(dòng)能力、高容錯(cuò)能力和高適應(yīng)能力的要求。經(jīng)過(guò)多輪技術(shù)迭代和演變，結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、控制和轉(zhuǎn)向靈活的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為新一代輪式機(jī)動(dòng)平臺(tái)的主流發(fā)展趨勢(shì)。清華大學(xué)提出的一種電動(dòng)輪總體設(shè)計(jì)方案，能夠兼顧解決大爬坡度（60%）要求的大轉(zhuǎn)矩和高速機(jī)動(dòng)（120 km/h～150 km/h）；同時(shí)保證制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和懸架接口的高集成電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。采用直接油冷、混合磁場(chǎng)、端部焊接和方形導(dǎo)體等措施，可以有效提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，如圖4所示。

圖4 高轉(zhuǎn)矩密度輪轂驅(qū)動(dòng)

輪式電驅(qū)動(dòng)技術(shù)表現(xiàn)出“系統(tǒng)設(shè)計(jì)一體化、功能模塊集成化、核心部件輕量化、分布驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)化”發(fā)展趨勢(shì)，由此延展的技術(shù)研究課題如下：

1.電機(jī)新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝技術(shù)研究

應(yīng)努力提升電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)水平，包括新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝，以及碳化硅等新型功率器件的應(yīng)用等；研究分析電驅(qū)動(dòng)裝甲車(chē)輛的戰(zhàn)術(shù)使用要求和特點(diǎn)，提出科學(xué)、合理的技術(shù)指標(biāo)，如峰值扭矩持續(xù)時(shí)間、高效率區(qū)、過(guò)載能力等，以更好地適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)使用。

2.動(dòng)力學(xué)集成控制技術(shù)研究

電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛具有驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈短、傳動(dòng)高效、結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)獨(dú)立控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩容易實(shí)現(xiàn)多種動(dòng)力學(xué)控制功能。為實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)防滑、制動(dòng)防抱死、穩(wěn)定性控制、差速驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向和車(chē)身姿態(tài)控制等多個(gè)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的一體化控制，動(dòng)力學(xué)集成控制是研究熱點(diǎn)。

3.新型電驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)

如圖5所示，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)為懸掛、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的變革提供了條件，應(yīng)以此為契機(jī)積極開(kāi)展新型懸掛、轉(zhuǎn)向技術(shù)研究，研究新型電驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，支撐新型武器平臺(tái)的搭載和智能傳感器技術(shù)的發(fā)展[4]。

圖5 電驅(qū)行走機(jī)構(gòu)

當(dāng)前，高密度的輪轂電機(jī)會(huì)增大簧下質(zhì)量和輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)車(chē)輛的操控有所影響。此外，輪轂電機(jī)工作的環(huán)境惡劣，面臨水、灰塵等多方面影響，在密封方面也有較高要求，同時(shí)在設(shè)計(jì)上也需要為輪轂電機(jī)單獨(dú)考慮散熱問(wèn)題。不過(guò)不會(huì)影響到到其平臺(tái)化拓展應(yīng)用范圍[5]。

目前從技術(shù)對(duì)標(biāo)角度來(lái)看，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是以輪胎生產(chǎn)商或汽車(chē)零部件生產(chǎn)商為代表的研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的集成化電動(dòng)系統(tǒng)；二是整車(chē)生產(chǎn)商與輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)生產(chǎn)商聯(lián)合開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)。而中國(guó)對(duì)于輪轂電機(jī)的研究多集中于高校，產(chǎn)品均為電動(dòng)汽車(chē)，與此同時(shí)，自主品牌汽車(chē)廠(chǎng)商也紛紛推出了自己的輪轂電機(jī)技術(shù)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)的汽車(chē)廠(chǎng)商雖然能夠生產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)，但是對(duì)于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究尚不成熟，尤其是在高轉(zhuǎn)矩輪轂電機(jī)開(kāi)發(fā)方面，對(duì)標(biāo)先進(jìn)產(chǎn)品仍有一定差距，因此，我國(guó)仍需加強(qiáng)對(duì)輪轂電機(jī)技術(shù)的研發(fā)投入，提高核心競(jìng)爭(zhēng)力，縮小差距，爭(zhēng)取達(dá)到世界先進(jìn)水平[6]。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的平臺(tái)化、模塊化、高度集成化初見(jiàn)成效，已帶來(lái)規(guī)模效應(yīng)，在市場(chǎng)中處于快速迭代階段。高機(jī)動(dòng)能力、高容錯(cuò)能力和高適應(yīng)能力的輪轂驅(qū)動(dòng)技術(shù)已成為車(chē)輛電驅(qū)動(dòng)重要的研究發(fā)展方向。因其結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、控制和轉(zhuǎn)向靈活等優(yōu)點(diǎn)，帶來(lái)了輪轂電機(jī)電磁設(shè)計(jì)優(yōu)化、控制策略及散熱方式和結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)研究課題。

[1] 崔勝民.智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)新技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2016.

[2] 吳宗澤.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1998.

[3] 付鐵軍.新能源汽車(chē)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[4] 李力,王飛躍.智能汽車(chē)先進(jìn)傳感器與控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016.

[5] 范思廣.電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其控制技術(shù)的研究[J].汽車(chē)零部件,2011(8):50-54.

[6] 田太偉,戚龍喜,凌素琴.輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2019(9):182-183.

Research and Technology Prospect of Electric Drive Platform for All Terrain Special Vehicles

YANG Bing, CHEN Jin, YONG Yue, ZHANG Yong, LI Jianxiang, ZHONG Hongliang, PENG Yiyan

( Chongqing Jialing All-Terrain Vehicle Company Limited, Chongqing 402760, China )

This paper is to analyze the difficulties in technical upgrading of the power system of special all-terrain vehicle fueled by gasoline, gas and diesel, and put forward an electric drive system of special all-terrain vehicle. Through deep integration of electric drive unit modules, technology iteration is carried out to achieve hardware platform and modular highly integrated technology, thus reducing product cost and improving electric drive efficiency, and providing research direction for exploring the development of electric drive technology for special all-terrain vehicles in the future.

Special all-terrain vehicle;Electric drive;Platformization;Modularization;Hub motor drive

U469.79

A

1671-7988(2023)03-211-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.039

楊兵（1983—），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檐?chē)輛電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及設(shè)計(jì)，E-mail:gsbyhn@163.com。