袁月會(huì)，孫艷妮，王 放，魏玲霞，曹亞楠

（西安汽車職業(yè)大學(xué) 汽車工程學(xué)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(jí)的戰(zhàn)略選擇，近年來在我國(guó)得到了廣泛關(guān)注與迅猛發(fā)展。線控底盤是實(shí)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(dòng)、線控轉(zhuǎn)向和線控制動(dòng)是底盤的核心技術(shù)，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(guān)鍵。

1 智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車線控底盤控制架構(gòu)及技術(shù)方案

1.1 智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車的控制架構(gòu)

智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車是一種為某個(gè)區(qū)域內(nèi)治安、巡邏檢查而專門設(shè)計(jì)開發(fā)的低速車輛，其按照動(dòng)力來源可分為電動(dòng)型與燃油型。市場(chǎng)中使用較多的為電動(dòng)巡邏車，我們以電動(dòng)型校園巡邏車為研究目標(biāo)，開發(fā)一款智能網(wǎng)聯(lián)汽車的關(guān)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(gòu)如圖1所示。

圖1 智能巡邏車線控底盤的控制架構(gòu)

1.2 智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車的性能要求

通過市場(chǎng)調(diào)研分析，并結(jié)合智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車的運(yùn)行特點(diǎn)及需求，擬開發(fā) 4座的智能網(wǎng)聯(lián)電動(dòng)巡邏車，其主要性能要求和技術(shù)指標(biāo)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(dòng)力系統(tǒng)匹配

動(dòng)力系統(tǒng)的匹配包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池的匹配。

2.1 電機(jī)的匹配

2.1.1 電動(dòng)機(jī)功率的確定

電動(dòng)機(jī)功率的確定主要以滿足最高車速進(jìn)行計(jì)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(dòng)阻力系數(shù) 0.015；vmax為最高車速，km/h；ηt為傳動(dòng)效率[1]；電動(dòng)汽車根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)的方式一般為0.9～0.99。代入式（1）計(jì)算可得需求功率為P=1.63 kW。

2.1.2 電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速

電動(dòng)汽車最高行駛速度與電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為

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

電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為

式中，nmax為電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，r/min；β為電動(dòng)機(jī)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(jī)，β值取2。代入式（3）計(jì)算可得電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為

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

表3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)力電池組提供，動(dòng)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(yīng)增大，重量也會(huì)增加，且價(jià)格也會(huì)升高。

電池組選擇首先是總電壓的確定，按照電機(jī)和電機(jī)控制器的電壓等級(jí)進(jìn)行確定，其電機(jī)控制器的工作電壓為48 V，所以動(dòng)力電池組的總電壓確定為48 V。

其次，根據(jù)巡邏車設(shè)計(jì)目標(biāo)中以20 km/h勻速行駛的續(xù)駛里程為 50 km計(jì)算運(yùn)行時(shí)所需要的功率Pb根據(jù)公式計(jì)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(dòng)阻力，通過公式Pa=Fv=Gfv=1 200×9.8×0.016×5.56=1 046 W。（滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.016）；ηe為驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率，取值90%；ηec為動(dòng)力電池組放電效率，取值95%。

根據(jù)式（4）計(jì)算得出，巡邏車勻速行駛時(shí)需求功率Pb為1223 W。

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

根據(jù)式（5）計(jì)算得出，所需能量Wb=3 058 Wh；

動(dòng)力電池組所能放出的額定能量We為[2]

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

在動(dòng)力電池組選型時(shí)：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(dòng)力電池組容量為

車輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)還需考慮其它輔助用電設(shè)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(chǎng)動(dòng)力電池的供應(yīng)及價(jià)格，擬選擇深圳惠德技術(shù)科技有限公司磷酸鐵鋰電池組，其動(dòng)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(dòng)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(dòng)、線控轉(zhuǎn)向和線控制動(dòng)三個(gè)主要部件。

3.1 巡邏車底盤線控驅(qū)動(dòng)匹配

電動(dòng)巡邏車線控驅(qū)動(dòng)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(dòng)信號(hào)、車速信號(hào)實(shí)現(xiàn)扭矩需求的計(jì)算，再將運(yùn)算的轉(zhuǎn)矩指令發(fā)送給電機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制，如圖2所示。

圖2 巡邏車線控驅(qū)動(dòng)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(hào)至底盤上的接收器，接收器將轉(zhuǎn)向信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network,CAN）信號(hào)，通過導(dǎo)線傳送到整車控制器，整車控制器綜合車輛運(yùn)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(dāng)前的車速及轉(zhuǎn)向信息，經(jīng)處理之后，給轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)送順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的指令，經(jīng)過蝸輪蝸桿的減速增扭帶動(dòng)轉(zhuǎn)向橫拉桿向左或向右橫向移動(dòng)，通過轉(zhuǎn)向節(jié)臂帶動(dòng)車輪偏轉(zhuǎn)，實(shí)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(shè)計(jì)要求，參照其他同類車型，進(jìn)行巡邏車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中，靜態(tài)原地轉(zhuǎn)向阻力矩目前采用經(jīng)驗(yàn)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(dòng)摩擦系數(shù)，一般取0.7；G1為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷，N；P為輪胎氣壓，MPa。

數(shù)據(jù)代入式（7）計(jì)算可得Mr=160 Nm。

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

3.3 底盤線控制動(dòng)系統(tǒng)的匹配

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

圖4 制動(dòng)系統(tǒng)原理和功能框圖

根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)的需求以及為了實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收的目的，選擇電液集成制動(dòng)總成。其作動(dòng)電機(jī)采用120 W有刷直流電機(jī)，系統(tǒng)制動(dòng)壓力可達(dá)8 MPa，滿足最大的制動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)匹配的原理和方法，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)的匹配方法[6]。同時(shí)分析了智能網(wǎng)聯(lián)巡邏車線控底盤的線控驅(qū)動(dòng)、線控轉(zhuǎn)向和線控制動(dòng)三個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和匹配選型，為同類型車輛的開發(fā)提供了參考。目前市場(chǎng)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(shù)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(chǎng)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(huì)具有較大的應(yīng)用前景。