張志強，翟克寧，李 強，韋杰宏，黃 真，覃胤和

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

1 概述

純電動汽車憑借著零排放和低使用成本等優(yōu)勢，已經(jīng)成為廣受市場青睞和高速發(fā)展的汽車產(chǎn)品。從2008年至今，我國純電動汽車年車型數(shù)量從不足10款，增長至超過1500款[1]；我國純電動汽車年銷量從不足500輛，至今已經(jīng)突破80萬輛。同時伴隨自動駕駛和共享移動出行服務(wù)等增值功能及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，全球純電動汽車年銷量預計在2040年將超過3000 萬輛[2]。

驅(qū)動系統(tǒng)作為純電動汽車的核心“三大電”之一，驅(qū)動系統(tǒng)的效率等對純電動汽車動力性能及純電續(xù)航里程有著至關(guān)重要的影響，擴大驅(qū)動系統(tǒng)效率大于90%的工作區(qū)域等研發(fā)工作逐漸成為了純電動汽車技術(shù)攻關(guān)的重點[3]。

為此本文首先結(jié)合某款純電動汽車的關(guān)鍵性能指標要求，對驅(qū)動系統(tǒng)做初步選型計算；然后搭建純電動汽車仿真平臺，結(jié)合兩個驅(qū)動系統(tǒng)方案，開展純電動汽車動力性和純電續(xù)航里程等關(guān)鍵性能仿真計算；最后提出基于NEDC工況需求的驅(qū)動系統(tǒng)效率評價方法，對比分析該兩個方案的優(yōu)劣勢，闡明驅(qū)動系統(tǒng)對純電續(xù)航里程性能的影響。

2 純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)選型計算

某款純電動汽車基礎(chǔ)參數(shù)和關(guān)鍵性能指標如表1所示。為了滿足該電動汽車的動力性能需求，驅(qū)動系統(tǒng)的選型必須綜合考慮以下三個動力性需求：最高車速需求的功率、最大爬坡度需求的功率和百公里加速時間需求的功率。

表1 某純電動汽車基礎(chǔ)參數(shù)和關(guān)鍵性能指標

（1）最高車速需求的功率

最高車速需求的功率計算如下[4]：

其中：m為汽車質(zhì)量；g為重力加速度；f為汽車滾動阻力系數(shù)；vmax為最高車速；CD為風阻系數(shù)；A為迎風面積；ηT為傳動效率。

（2）最大爬坡度需求的功率

最大爬坡度需求的功率計算如下[5]：

其中：α為爬坡度；va為坡道車速。

（3）百公里加速時間需求的功率

百公里加速時間需求的功率計算如下：

其中：t為0～100 km/h加速時間；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；va為最終加速后的車速。

為同時滿足最高車速、最大爬坡度和百公里加速時間等動力性需求，驅(qū)動系統(tǒng)功率需大于P1、P2和P3中的最大值，即驅(qū)動系統(tǒng)功率需大于69 kW。

3 純電動汽車仿真平臺

為進一步評估驅(qū)動系統(tǒng)對純電動汽車相關(guān)性能指標的達成情況，本文首先搭建了純電動汽車仿真平臺，如圖1所示，按照純電動汽車驅(qū)動結(jié)構(gòu)方式，將純電動汽車基礎(chǔ)參數(shù)輸入到相應仿真模塊中。

圖1 純電動汽車仿真平臺

結(jié)合驅(qū)動系統(tǒng)功率大于69 kW需求，本文初選了兩個驅(qū)動系統(tǒng)方案，其外特性對比如圖2所示。

圖2 方案1和2驅(qū)動系統(tǒng)外特性曲線

方案1峰值扭矩達170 N·m，峰值功率為70 kW。該方案的萬有特性，即系統(tǒng)效率分布如圖3所示，該方案效率大于90%的工作區(qū)域為轉(zhuǎn)速區(qū)間3 000 r/min～11 000 r/min，扭矩區(qū)間為6 N·m ～160 N·m。

圖3 方案1驅(qū)動系統(tǒng)萬有特性

方案2峰值扭矩達270 N·m，峰值功率為120 kW。該方案的系統(tǒng)萬有特性，即系統(tǒng)效率分布如圖4所示，該方案效率大于90%的工作區(qū)域為轉(zhuǎn)速區(qū)間3 000 r/min～ 14 000 r/min，扭矩區(qū)間為9 N·m～ 207 N·m。

圖4 方案2驅(qū)動系統(tǒng)萬有特性

4 仿真結(jié)果分析

方案1和方案2對應的純電動汽車關(guān)鍵性能仿真結(jié)果如表2所示。方案1和方案2均達成純電動汽車動力性和純電續(xù)航里程目標。受限于方案1的功率和扭矩比方案2小，方案1的動力性比方案2略差。

表2 方案1和2仿真性能匯總

從圖3和圖4對比可知方案1和方案2的效率特性是不相同的，方案1中效率大于90%的區(qū)域更為寬廣。但是單憑該區(qū)域的大小并無法量化評估哪個方案下的純電續(xù)航里程的性能更優(yōu)。為此本文提出基于工況需求的驅(qū)動系統(tǒng)效率評價方法，具體如下：1、首先針對續(xù)航里程工況（NEDC），對仿真過程中驅(qū)動系統(tǒng)工作的轉(zhuǎn)速和扭矩進行歸類統(tǒng)計，將高頻出現(xiàn)的工況進行匯總；2、將高頻工況對應驅(qū)動系統(tǒng)效率進行統(tǒng)計，如驅(qū)動系統(tǒng)效率大于90%的工況占比越多，則說明該驅(qū)動系統(tǒng)在NEDC工況下工作表現(xiàn)越優(yōu)，純電續(xù)航里程越長。

表3和表4分別給出了方案1和方案2在NEDC工況下，驅(qū)動系統(tǒng)的高頻工況點匯總。這10個高頻工況點出現(xiàn)的時間總和占整個NEDC工況時間的92%以上，這說明該10個高頻工況下驅(qū)動系統(tǒng)的效率表現(xiàn)是能夠反映其在NEDC工況下的性能表現(xiàn)。

表3 方案1高頻工況匯總

表4 方案2高頻工況匯總

將方案1和方案2的高頻工況點繪制到萬有特性圖中，分別如圖5和圖6所示。圖中圈的大小表征對應工況占比，圈的中心表征對應工況轉(zhuǎn)速和扭矩。從高頻工況點的分布可知，方案1的高頻工況比方案2更多的分布在驅(qū)動系統(tǒng)效率較高的區(qū)域。

圖5 方案1驅(qū)動系統(tǒng)高頻工況點

圖6 方案2驅(qū)動系統(tǒng)高頻工況點

為進一步量化這兩個方案的效率表現(xiàn)，將驅(qū)動系統(tǒng)效率大于80%、90%和93%的工況占比進行匯總統(tǒng)計，如表5所示。方案1的效率大于80%、90%和93%的工況占比方案2要更大，這也能夠量化說明在NEDC工況下，方案1的驅(qū)動系統(tǒng)工作效率比方案更優(yōu)，這也是方案1的純電續(xù)航里程性能比方案2更優(yōu)的原因。

表5 不同效率下的高頻工況占比匯總

5 結(jié)論

（1）純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)選型必需同時滿足最高車速、最大爬坡度和百公里加速時間等動力性能及功率要求。

（2）基于工況需求的驅(qū)動系統(tǒng)效率評價方法，可以有效地評估驅(qū)動系統(tǒng)對純電續(xù)航里程性能的影響。