智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車動力系統(tǒng)與線控底盤的匹配分析

袁月會，孫艷妮，王 放，魏玲霞，曹亞楠

（西安汽車職業(yè)大學 汽車工程學院，陜西 西安 710605）

智能化與網(wǎng)聯(lián)化是提升汽車性能的重要路徑，也是汽車產(chǎn)業(yè)升級的戰(zhàn)略選擇，近年來在我國得到了廣泛關注與迅猛發(fā)展。線控底盤是實現(xiàn)車輛智能化和網(wǎng)聯(lián)化最重要的載體，而線控驅(qū)動、線控轉(zhuǎn)向和線控制動是底盤的核心技術，其選型以及參數(shù)匹配直接決定底盤的性能以及整車性能，是智能網(wǎng)聯(lián)汽車研發(fā)的關鍵。

1 智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車線控底盤控制架構及技術方案

1.1 智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車的控制架構

智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車是一種為某個區(qū)域內(nèi)治安、巡邏檢查而專門設計開發(fā)的低速車輛，其按照動力來源可分為電動型與燃油型。市場中使用較多的為電動巡邏車，我們以電動型校園巡邏車為研究目標，開發(fā)一款智能網(wǎng)聯(lián)汽車的關鍵載體—智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車線控底盤，其線控底盤的控制架構如圖1所示。

圖1 智能巡邏車線控底盤的控制架構

1.2 智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車的性能要求

通過市場調(diào)研分析，并結(jié)合智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車的運行特點及需求，擬開發(fā) 4座的智能網(wǎng)聯(lián)電動巡邏車，其主要性能要求和技術指標如表1、表2所示。

表1 底盤尺寸參數(shù) 單位：mm

表2 整車性能參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)

2 智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車動力系統(tǒng)匹配

動力系統(tǒng)的匹配包括驅(qū)動電機和動力電池的匹配。

2.1 電機的匹配

2.1.1 電動機功率的確定

電動機功率的確定主要以滿足最高車速進行計算：

式中，P為車輛的需求功率，kW；m為車輛質(zhì)量，kg；f為滾動阻力系數(shù) 0.015；vmax為最高車速，km/h；ηt為傳動效率[1]；電動汽車根據(jù)傳動系統(tǒng)的方式一般為0.9～0.99。代入式（1）計算可得需求功率為P=1.63 kW。

2.1.2 電動機的最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速

電動汽車最高行駛速度與電動機最高轉(zhuǎn)速之間的關系為

式中，nmax為電動機的最高轉(zhuǎn)速，r/min；vmax為最高車速，km/h；i為傳動系統(tǒng)傳動比[1]。該智能網(wǎng)聯(lián)車輛傳動比僅有主減速器的傳動比，其驅(qū)動橋的主減速比為 18.12；r為輪胎滾動半徑，m；該底盤的輪胎為155/65R13，其滾動半徑為0.258 4 m。代入式（2）計算可得電機的最大轉(zhuǎn)速為

電動機額定轉(zhuǎn)速為

式中，nmax為電動機的最高轉(zhuǎn)速，r/min；β為電動機恒功率系數(shù)[1]，通常取值為 2～4，智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車底盤擬選交流異步電機，β值取2。代入式（3）計算可得電機的額定轉(zhuǎn)速為

根據(jù)上面計算情況以及對市場交流異步電機產(chǎn)品的調(diào)研，選擇山東休普動力科技股份有限公司技術成熟且量產(chǎn)的ZC3-48型交流異步電機作為校園巡邏車的驅(qū)動電機，其參數(shù)如表3所示。

表3 驅(qū)動電機主要參數(shù)

2.2 電池的匹配

智能巡邏車在行駛中的能量全部由動力電池組提供，動力電池組的容量大小直接影響巡邏車的續(xù)駛里程，但電池組的容量越大，體積相應增大，重量也會增加，且價格也會升高。

電池組選擇首先是總電壓的確定，按照電機和電機控制器的電壓等級進行確定，其電機控制器的工作電壓為48 V，所以動力電池組的總電壓確定為48 V。

其次，根據(jù)巡邏車設計目標中以20 km/h勻速行駛的續(xù)駛里程為 50 km計算運行時所需要的功率Pb根據(jù)公式計算為[1]

式中，Pa為勻速20 km/h行駛阻力功率，kW；智能巡邏車在校園勻速行駛因道路平坦、車速低，需要克服的阻力只考慮滾動阻力，通過公式Pa=Fv=Gfv=1 200×9.8×0.016×5.56=1 046 W。（滾動阻力系數(shù)為0.016）；ηe為驅(qū)動電機效率，取值90%；ηec為動力電池組放電效率，取值95%。

根據(jù)式（4）計算得出，巡邏車勻速行駛時需求功率Pb為1223 W。

第三，動力電池組能量的確定：智能巡邏車以勻速va=20 km/h運行，滿足續(xù)駛里程Sa=50 km所需的能量為[2]

根據(jù)式（5）計算得出，所需能量Wb=3 058 Wh；

動力電池組所能放出的額定能量We為[2]

式中，U為動力電池組額定電壓，48 V；C為動力電池組額定容量，Ah；ξ1為動力電池組有效放電容量，20%～95%。

在動力電池組選型時：We≥Wb，也就是We≥ 3 058 Wh。

由式（6）可得出滿足續(xù)駛里程要求的動力電池組容量為

車輛實際運行時還需考慮其它輔助用電設備消耗的電量，按照輔助用電消耗占總?cè)萘康?%確定，結(jié)合市場動力電池的供應及價格，擬選擇深圳惠德技術科技有限公司磷酸鐵鋰電池組，其動力電池組的容量C確定為75 Ah。其參數(shù)如表4所示。

表4 動力電池主要參數(shù)

3 智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車底盤線控系統(tǒng)匹配

智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車的底盤線控系統(tǒng)包括線控驅(qū)動、線控轉(zhuǎn)向和線控制動三個主要部件。

3.1 巡邏車底盤線控驅(qū)動匹配

電動巡邏車線控驅(qū)動系統(tǒng)主要由整車控制器（Vehicle Control Unit, VCU）接收遙控器施加的加速或制動信號、車速信號實現(xiàn)扭矩需求的計算，再將運算的轉(zhuǎn)矩指令發(fā)送給電機控制器，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩的控制，如圖2所示。

圖2 巡邏車線控驅(qū)動系統(tǒng)

3.2 底盤線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配

為了確保校園巡邏車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全，其線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能框架圖如圖3所示。

圖3 底盤線控系統(tǒng)原理和功能圖

智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理是：操控人員控制遙控裝置，發(fā)送左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)的無線信號至底盤上的接收器，接收器將轉(zhuǎn)向信號轉(zhuǎn)換為控制器局域網(wǎng)絡（Controller Area Network,CAN）信號，通過導線傳送到整車控制器，整車控制器綜合車輛運行狀況并分析處理之后，將轉(zhuǎn)向指令發(fā)送到線控轉(zhuǎn)向電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU），線控轉(zhuǎn)向ECU綜合當前的車速及轉(zhuǎn)向信息，經(jīng)處理之后，給轉(zhuǎn)向電機發(fā)送順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)的指令，經(jīng)過蝸輪蝸桿的減速增扭帶動轉(zhuǎn)向橫拉桿向左或向右橫向移動，通過轉(zhuǎn)向節(jié)臂帶動車輪偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。

根據(jù)智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車滿載前軸載荷、前輪定位參數(shù)，以及汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計要求，參照其他同類車型，進行巡邏車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計。其中，靜態(tài)原地轉(zhuǎn)向阻力矩目前采用經(jīng)驗公式為[3]

式中，Mr為瀝青或混凝土路面的原地轉(zhuǎn)向阻力矩，Nm；f為輪胎與地面間的滑動摩擦系數(shù)，一般取0.7；G1為轉(zhuǎn)向軸負荷，N；P為輪胎氣壓，MPa。

數(shù)據(jù)代入式（7）計算可得Mr=160 Nm。

根據(jù)智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車前軸負荷及轉(zhuǎn)向阻力矩，結(jié)合市場線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的產(chǎn)品技術參數(shù)，選擇功率為270 W的直流電機作為轉(zhuǎn)向電機。經(jīng)計算該電機適應常規(guī)工況下汽車轉(zhuǎn)向要求。

3.3 底盤線控制動系統(tǒng)的匹配

智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車線控制動系統(tǒng)采用電控液壓制動系統(tǒng)，其制動器采用前盤后鼓的制動器[4-5]。其制動系統(tǒng)的功能框架圖如圖4所示。

圖4 制動系統(tǒng)原理和功能框圖

根據(jù)制動系統(tǒng)的需求以及為了實現(xiàn)制動能量回收的目的，選擇電液集成制動總成。其作動電機采用120 W有刷直流電機，系統(tǒng)制動壓力可達8 MPa，滿足最大的制動壓力要求。

4 結(jié)論與展望

本文以一款巡邏車為例探討了智能網(wǎng)聯(lián)車輛動力系統(tǒng)匹配的原理和方法，包括驅(qū)動電機和動力系統(tǒng)的匹配方法[6]。同時分析了智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車線控底盤的線控驅(qū)動、線控轉(zhuǎn)向和線控制動三個關鍵系統(tǒng)的設計和匹配選型，為同類型車輛的開發(fā)提供了參考。目前市場上無人駕駛的售賣車、快遞配送車、物流車、掃地車和園區(qū)的物流配送車等小型無人駕駛車輛的底盤技術均與本文研究的相似，這些車輛的研發(fā)可以借鑒和參考本文的方法。未來在市場與政策的持續(xù)調(diào)節(jié)下，小型智能網(wǎng)聯(lián)汽車將迎來快速發(fā)展，其線控底盤產(chǎn)品也會具有較大的應用前景。