如何解決電動輕卡重載爬長坡痛點
近期，新能源商用車之家對成都市的電動輕卡使用場景進行沉浸式調研，發現有以下特點變化：2024年之前，成都市的電動輕卡主要以城市配送場景爲主，運價在3元/公里以上，盈利能力遠高於燃油輕卡；2024年以來市場已經嚴重飽和，運價爲2.2—2.5元/公里，盈利能力下降；100 kWh電量以上的電動輕卡已經從城市配送轉向城際運輸，例如成都—重慶350公里、成都—達州400公里、成都—宜賓300公里等。
四川省的地形複雜，除了成都爲平原以外，其他地級市的道路均爲丘陵和山區道路，很多坡道的長度超過10公里，落差超過500米。爲了解決長下坡的剎車熱失效問題，目前跑城際運輸的電動輕卡都匹配了容積0.2—0.4立方米的水箱。新能源商用車之家在調研當中發現，跑城際運輸客戶的最大抱怨是：電動輕卡無法重載爬長坡，當車輛重載遇到10公里的長坡時，在爬到3—4公里處就會出現電機高溫限扭，此時車輛只能靠邊停車，等待電機降溫之後再走。一個長坡要反覆停車2—4次，嚴重影響了運輸效率。
電量100kWh以上的電動輕卡，主要從事跑城際運輸
爲了解決長下坡剎車熱失效問題，電動輕卡安裝了水箱
重載爬長坡爲什麼會出現電機高溫限扭？如何才能解決電動輕卡重載爬長坡的問題？新能源商用車之家分別從電機工作原理和對應解決方案兩個方面進行分析。
01
電機爲何會高溫限扭
/ NEWS
電機的工作原理很簡單：中間旋轉軸是轉子，上面固定了很多磁鐵；外面不旋轉部分是定子，定子卡槽裡繞着大量銅線形成線圈，電機通電之後，定子的線圈產生磁場，驅動轉子旋轉。電機有兩個功率：額定功率和峰值功率，例如某款電動輕卡的電機額定功率爲65kW（88馬力），峰值功率爲120kW（163馬力）。額定功率是指電機可持續輸出30分鐘以上的功率，通常用於車輛平穩速度行駛。一輛電動輕卡在裝載6噸貨物、平直道路上勻速行駛，電機按照額定功率65 kW（88馬力）輸出，車輛可以達到70—75km/h的速度；峰值功率是指電機在短時間內輸出的最大功率，通常用於急加速、爬坡、超車、短時間高速行駛這四個工況。車輛爬1公里左右短坡，有經驗的司機會提前加速到80km/h，然後利用車輛慣性和電機峰值功率，能夠在1分鐘左右爬到坡頂。但是，車輛一旦遇到10公里的長坡，則車輛的行駛速度要降低到30—40km/h，電機以峰值功率連續6—8分鐘工作之後就會出現高溫現象，爲了保護電機則會通過控制器限制電動扭矩輸出。
主流的電動輕卡電驅橋只有1個擋，速比爲16—17，電機散熱採用水冷
爲什麼柴油機可以最大功率長時間輸出，而電機不能？兩者最大的差異就是散熱方式。柴油機氣缸周圍有水套，通過水泵提供水循環給柴油機強制降溫，再通過水箱散熱，最終保證柴油機在合理的溫度下長時間工作。
目前國內電動輕卡的電機都採用水冷，即在電機定子外設置一圈水套，通過水泵爲定子強制性散熱。但是電機的定子和轉子是相對旋轉的關係，兩者的圓柱形外表面沒有直接接觸，兩者之間的熱傳輸方式是熱輻射，而不是熱傳導。熱輻射的導熱係數遠低於熱傳導，因此電機的水冷裝置無法給轉子進行有效散熱。當電機以峰值功率輸出6—8分鐘之後，電機轉子的溫度已經超標，長時間高溫工作將導致磁鐵的磁性下降，從而導致電機額定功率和峰值功率都下降，對電機性能造成不可恢復的損傷。因此電機會設計高溫限扭功能，以保證電機的功能安全。
02
三種解決方案
/ NEWS
一、增加爬坡擋。目前某些電動輕卡企業已經發現了“重載爬長坡”的問題，在不更改硬件的基礎上，通過軟件編程增加了一個“爬坡擋”，即擋位顯示的“S”或“L”。但這不是物理上的“爬坡擋”，目前絕大多數電動輕卡只有1個擋位，電驅橋傳動速比爲16—17。電動輕卡“爬坡擋”的工作原理爲：通過軟件程序限定車輛重載爬長坡的電機輸出功率，即爲電機的額定功率，此時車輛只能以20—30km/h速度緩慢爬坡。同樣10公里的長坡，柴油輕卡只需要10—13分鐘爬上來，而電動輕卡則需要20分鐘以上。雖然“爬坡擋”解決了電機高溫限扭的問題，但是因爲爬長坡速度太慢，又引發了客戶新的抱怨。
中間的S擋是爬坡擋
最右側的L擋是爬坡擋
二、兩擋電驅橋。目前有些電動輕卡已經匹配了兩擋電驅橋，其速比是低擋25和高擋11。在車輛起步加速、低速行駛、爬長坡時，整車控制程序會掛低擋，提升車輛的動力性；當車輛速度超過40km/h時，則程序會掛高擋，提升車輛的經濟性，車輛在70km/h勻速行駛時可達最佳節能效果；當40—50km/h時需要急加速，則程序會降擋並拉高電機轉速，例如高速公路上從匝道進入主道；當車輛重載爬長坡時，則程序會鎖定低擋，以防止速度變化導致的反覆跳擋現象。
兩擋電驅橋，變速箱上方有換擋機構
經過實際測試發現，匹配兩擋電驅橋的電動輕卡，其動力性和經濟性都要高於傳統1擋的車型，但是電驅橋結構複雜，重量大約增加30kg，成本增加15%左右（前期產量小，價格略貴）。
三、油冷電機。油冷電機的冷卻原理是：在轉子的中間加工油道，再通過端部的油道進入到定子外側，定子外側再佈置一圈油道。最後通過油泵向油道注入高壓油，高壓油即可將轉子和定子的熱量全部帶出來，熱交換器通過水循環將高壓油進行冷卻，最後通過“水循環+散熱水箱”進行散熱。油冷電機最大的優勢是能夠直接給定子散熱，解決電機高溫限扭的問題，從而解決了電動輕卡重載爬長坡的問題。目前油冷電機只有在某些高端電動重卡、高端電動乘用車上進行使用，其價格比同等功率的水冷電機要貴30%以上。
博世開發的重卡電驅橋，採用扁線油冷電機
縱觀電動輕卡的試點和普及全過程，其技術是隨着使用場景的拓展在不斷升級。未來電動輕卡技術將如何發展，需要深入研究應用場景，從場景和工況出發，來反推出電動輕卡的技術升級方向。