纯电动轻型载货车底盘布置及动力系统匹配

魏松茂，邱 亮，杨 天

(中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300300)

自国务院发布《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》以来，中国坚持以发展纯电驱动为战略导向，纯电动汽车产业发展取得了长足的进步，我国也成为了世界汽车产业转型的重要力量之一。

2020年，新能源汽车产量为136.6万辆，同比增长7.5%；销量为136.7万辆，同比增长10.9%，都较上年实现了由负转正；其中纯电动汽车产销分别为110.5万辆和111.5万辆，同比分别增长5.4%和1.6%。

商用车全品类产销分别完成523.1万辆和513.3万辆，创历史新高，且首超500万辆，产销同比分别增长20%和18.7%。从细分车型情况来看，载货车是推动商用车持续高速增长的主力车型，其中以轻型、重型载货车增长贡献明显［1］。

纯电动轻型载货车与纯电动乘用车相比，布置空间更加宽裕，而且具有灵活多变（冷藏车、洒水车等）、运行成本低、适用环境广等特点，发展趋势良好。本文以某款纯电动轻型载货车为研究对象，对其底盘进行结构布置和动力系统匹配研究。

1 整车底盘系统布置

1.1 动力电池组布置

纯电动载货车动力电池组由于体积、质量较大，布置时需要考虑整车通过性、轴荷分配和检修便利性等问题，参考车型情况，可布置在驾驶室后部纵梁两侧或中间位置。

动力电池组布置还应满足上装空间的要求，与路面、货箱底板、线束管路之间要留有足够的间隙，保证车辆在恶劣路段正常通过；电池箱的连接器侧和高压维修开关建议布置在利于检测和插拔的位置，如有必要，可以加护板予以保护。

动力电池组与整车需要有可靠的机械连接，一般可分为两种，一种是托底方式，另一种是吊装方式［2］。该车型设计的托底方式是通过设计开发的电池包底部固定支架和车架纵梁固定支架将电池包组与车架纵梁相连接，设计方案见图1。吊装方式是电池包本体自带吊装固定耳，将电池包直接与车架预设的吊装安装孔位进行螺接［3］。

两种方式相比较，托底方式结构强度高，耐久性强，适用范围广。对于质量较大或含多个电池包需要分层布置的电池包组，可以根据不同情况增减固定结构，灵活性较强。对于未来标准化的“换电”趋势，不同车厂的不同车型应用同一型号电池包（组），托底方式的适配性相较于吊装方式更高。

吊装方式最大的优势是减少一部分安装支架，从而减轻了车重，但对于整车轻量化的贡献程度还需要根据具体车型具体分析。另外，吊装方式对于工作环境要求比较高。

综合上述两种方式的优缺点，本文选择托底方式进行电池包组的布置。

图1 动力电池组托底方式案例图

1.2 底盘布置

整车的总体平衡是车辆布置的基础，尤其是底盘布置。设计时应把使用性能放在首位，然后按照制造、维修、外形的顺序来考虑。电动汽车整车布置应配合协调，优先考虑大三电系统的排布。另外，应重点考虑高压元器件防水、防尘、防火等性能，并符合传统燃油汽车平台的风格和要求，原各大系统的末端执行机构不变，调整控制和驱动元件。

1）转向系统：保留原车型转向机部分，将转向油路的动力源改为电动转向油泵，由转向控制器模块控制。

2）制动系统：保留原制动执行机构，将原有的空压机改为电动真空泵，重新计算匹配，并加装真空气管。

3）传动系统：传动系统与驱动电机同步布置。在确定采用中置后驱方案后，驱动电机的布置要使满载时传动轴的正常夹角在4°以下，最多不超过8°；当量夹角建议小，不大于3°。传动轴一根不宜过长，如有必要可变为两根，中间加支承。

4）行驶系统：由于各系统总布置发生变化，整车的质量与质量分布也相应发生改变，需要对悬架参数重新校核。

1.3 整车质心位置

整车质量和质心位置是结构布置的重要指标。质心位置的变化会直接影响车辆的制动性、操稳性和平顺性。对于载货车，整车质心位置过高，制动时货物前倾会使前轴负荷增加，后轴负荷减少，使前、后轴制动力变得不合理，从而降低汽车制动时的方向稳定性。质心位置同样也会影响前后轮的侧偏角，从而影响车辆的操纵稳定性。

本方案将动力电池组布置在底盘纵梁中部两侧位置，驱动电机布置在底盘纵梁中间位置，控制系统布置在底盘前部驾驶室下方（图2）。经计算，在空载时前、后桥载荷比接近5∶5；在满载时前、后桥载荷比接近4∶6，故该车型整车载荷分布均衡，质心位置合理。

图2 纯电动轻型载货车底盘布置

2 整车动力系统匹配

为了提高纯电动载货车的动力性、经济性，动力系统的匹配设计是极为重要的。对整车动力系统进行匹配时，首先对整车的动力性和经济性提出设计要求，然后根据目标要求匹配计算驱动系统性能参数，再结合驱动系统的性能和参数要求确定动力电池组的参数［4］。

本文在某车型平台和前文总体结构布置的基础上，对纯电动轻型载货车动力系统匹配设计方面的研究进行介绍。

2.1 数学模型

根据汽车行驶方程式，进行整车的动力性计算：

式中：Ft——驱动力，N；Ff——滚动阻力，N；Fw——空气阻力，N；Fi——坡道阻力，N；Fj——加速阻力，N。

2.1.1 滚动阻力

滚动阻力Ff的计算公式为：

式中：G——车辆质量，N；α——道路坡度，°；f——滚动阻力系数，N/kN。

若无试验得到的准确滚动阻力系数值，可利用经验公式大致估算，如在良好道路上货车轮胎的滚动阻力系数为：

式中：u——货车当前车速，km/h。

2.1.2 空气阻力

空气阻力Fw的计算公式为：

式中：CD——空气阻力系数；A——迎风面积，m2。

不同车型的空气阻力系数CD和迎风面积A的数据，见表1。

2.1.3 坡道阻力

坡道阻力Fi的计算公式为：

Fi=G sin a （5）

2.1.4 加速阻力

加速阻力Fj的计算公式为：

表1 空气阻力系数CD与迎风面积A

式中：δ——汽车旋转质量换算系数；m——整备质量，kg；du/dt——行驶加速度，m/s2［5］。

2.2 电机参数匹配

驱动电机匹配的目的是为了使电动车辆行驶时，驱动电机尽可能地在高效区运转，充分利用动力电池有限的能量。通过汽车动力学方程和仿真手段计算得到电机的额定功率、峰值功率、峰值转矩、峰值转速等参数，从而选择满足整车性能指标的驱动电机。

2.2.1 额定功率

根据最高车速计算整车需求的额定功率Pe（kW）。

1）根据最高车速计算整车需求（最高车速90km/h，测试循环质量3847.5kg，迎风面积3.6m2，空气阻力系数0.65，滚动阻力系数0.009）的额定功率Pve（kW）：

2）根据持续爬坡度计算整车需求（最大爬坡度20%，车速10km/h，满载质量4495kg）的额定功率Pie（kW）：

式中：θ——持续爬坡度；uic——持续爬坡度对应的爬坡车速，km/h。

故额定功率为：

建议选型时，留余量确保性能的实现。

2.2.2 峰值功率

根据最大爬坡度和加速性能计算整车需求的峰值功率Pm（kW）。

1）根据最大爬坡度计算整车需求的峰值功率Pim（kW）：

式中：uim——最大爬坡度对应车速，km/h；β——最大爬坡度。

2）根据整车目标0—50km/h加速时间≤13s的要求，计算峰值功率Pum（kW）：

式中：ηt——传动效率90%。

绘制图谱如图3所示。

图3 电机加速功率特性曲线

为满足0—50km/h加速时间≤13s，需要电机峰值功率≥62.71kW。故峰值功率Pm为

建议选型时，留余量确保性能的实现。

2.2.3 峰值转矩

根据最大爬坡度和起步加速性能计算整车需求的峰值转矩Tm（Nm）。

根据整车参数主减速比i0=4.875，车轮滚动半径r=350mm及最高车速≥90km/h，最大爬坡度≥20%的目标，参考公式：

绘制图谱如图4所示。

图4 电机扭矩转速特性曲线

由图4可知，峰值扭矩至少大于725.26Nm，考虑到爬坡余量，选择峰值扭矩不小于750Nm。

电机最高转速应该满足最高车速的要求，根据上述计算结果，最高转速大于3325.12r/min，综合考虑，选取电机最大的转速大于3400r/min。表2为驱动电机预选参数。

表2 驱动电机预选参数

除了上述驱动电机的性能参数，驱动电机的机械参数也需要重点考虑，如电机悬置位置和悬置角度等，对于整车动力性、经济型都有直接影响，在此不再赘述。

2.3 动力电池系统的参数匹配

动力电池系统的额定电压及实际工作电压范围必须与整车所选用的电机和电机控制器的工作电压相匹配。为保证整车动力系统的可靠运行，需要根据电动汽车电机的电压等级及工作电压范围要求，选择合适的动力蓄电池的类型（如化学体系、额定电压、容量规格等）并确定系统额定电压及工作电压范围。动力电池系统的电压范围一定要大于用电部件的工作电压范围。同时，动力电池系统还应满足车辆不同工况的能量需求。

2.3.1 功率要求

动力电池的总能量需满足：

式中：Pm——驱动电机峰值功率，例如取值为60kW；K——最大放电率，h-1；Ep——动力电池组总能量，kWh；ηmc——驱动电机及其控制器效率，取值为90%。

2.3.2 等速40km/h能量要求

等速40km/h行驶需求电机功率为：

等速行驶工况下所消耗的能量可由电机消耗功率沿时间方向的积分获得：

低压附件电器平均消耗功率估计为1kW（等速40km/h，行驶250km，DC/DC效率90%所消耗的电池电量为6.94kWh）。

等速40km/h行驶200km所消耗的总电量为：

动力电池组电量—最大放电倍率曲线如图5所示。

如图5所示，车辆需求等速40km/h工况动力电池输出总能量≥93.19kWh，最大放电倍率≥0.6。

综上分析，得到动力电池的参数见表3。

图5 动力电池组电量—最大放电倍率曲线

表3 动力电池预选参数

3 结语

上述为对于某纯电动轻型载货车底盘布置及动力系统匹配的研究，基本符合预期。若使之真正达到开发、量产状态，还须经过更系统地选型和试验验证，需要综合考虑零部件供应商的排产能力、产品的价格、市场的保有率、整车应用场景等。我们已经进入了一个崭新的赛道，要实现弯道超车，就必须朝着更强大的产品力方向迈进。