夏靖武，郝明亮，梅周盛，席文倩，周 斌

（漢騰汽車有限公司，江西 上饒 334100）

相對(duì)于傳統(tǒng)燃油車，純電動(dòng)汽車具有低噪聲、零排放、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，是解決能源短缺和環(huán)境惡化兩大難題的有效途徑之一［1］。目前純電動(dòng)汽車采用單擋減速器比較普遍，這種方案利用電機(jī)外特性與理想的汽車驅(qū)動(dòng)特性場(chǎng)形狀相似的特點(diǎn)，可以簡化結(jié)構(gòu)、降低成本。但是采用固定速比的傳動(dòng)方式時(shí)電機(jī)工作點(diǎn)與車速直接關(guān)聯(lián)，為了滿足整車調(diào)速范圍，會(huì)使得更多的電機(jī)工作點(diǎn)落在低速大負(fù)荷區(qū)和高速低負(fù)荷區(qū)，降低了電機(jī)系統(tǒng)的效率［2］，同時(shí)受電機(jī)峰值功率和最高轉(zhuǎn)速的限制，電動(dòng)汽車加速性能和最高車速無法進(jìn)一步提高。為了解決這一矛盾，不少學(xué)者研究了多擋變速器在純電動(dòng)汽車上的應(yīng)用。結(jié)果表明，兩擋變速器相對(duì)單擋變速器具有更好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，成本和布置難度增加較小，在純電動(dòng)汽車中有廣泛的應(yīng)用前景［3］。

由于動(dòng)力電池技術(shù)水平有限，純電動(dòng)汽車在整車成本和續(xù)駛里程方面還存在一定局限，如何在有限的整車布置空間和成本預(yù)算下優(yōu)化純電動(dòng)汽車性能，使其獲得更大的續(xù)駛里程是純電動(dòng)汽車開發(fā)中的關(guān)鍵問題。通過計(jì)算機(jī)仿真分析可以提前估算出純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，縮短項(xiàng)目開發(fā)周期，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，因此通過仿真計(jì)算來進(jìn)行車輛動(dòng)力系統(tǒng)的匹配與優(yōu)化，是純電動(dòng)汽車項(xiàng)目研發(fā)中的一個(gè)重要途徑［4］。

本文以某型純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，針對(duì)其動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)目標(biāo)，重點(diǎn)分析計(jì)算研究車型的傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，搭建基于Matlab／Simulink環(huán)境下的整車仿真模型，對(duì)研究車型的動(dòng)力性能及CLTC工況下的經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行有效的仿真分析，最終提出換擋策略優(yōu)化方案，為項(xiàng)目的進(jìn)一步開發(fā)提供參考和依據(jù)。

1 整車方案設(shè)計(jì)

研究車型依托于傳統(tǒng)基礎(chǔ)車型進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)改造，其整車參數(shù)如表1所示。

表1 研究車型整車參數(shù)

電動(dòng)汽車整車的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足車輛對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的要求。動(dòng)力性可用以下3個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)：最高車速、加速性能和最大爬坡度；經(jīng)濟(jì)性可用續(xù)駛里程和能量消耗率來評(píng)價(jià)［5］。研究車型的整車性能設(shè)計(jì)目標(biāo)如表2所示。

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.1 電機(jī)參數(shù)匹配與選型

對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，驅(qū)動(dòng)電機(jī)是整車動(dòng)力系統(tǒng)的唯一動(dòng)力來源。驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)的選擇，應(yīng)使整車按國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 18385—2015［6］所規(guī)定的試驗(yàn)方法測(cè)試的動(dòng)力性滿足項(xiàng)目動(dòng)力性能目標(biāo)要求。電機(jī)功率越大，車輛動(dòng)力性越好，但是會(huì)增加項(xiàng)目成本，同時(shí)電機(jī)的體積和質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)增加，整車的經(jīng)濟(jì)性也會(huì)受到不利影響，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)的選擇對(duì)純電動(dòng)車項(xiàng)目來說非常重要。根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)對(duì)比可知，永磁同步電機(jī)的綜合性能最優(yōu)，在高速電動(dòng)汽車上的應(yīng)用最廣泛，下列分析均以永磁同步電機(jī)為對(duì)象展開。

表2 整車性能設(shè)計(jì)目標(biāo)

車輛在行駛過程中受到滾動(dòng)阻力、坡度阻力、空氣阻力、加速阻力，根據(jù)功率平衡原理，車輛功率平衡方程式如下：

式中：Pm——總輸出功率，kW；ηt——傳動(dòng)效率；Pf——滾動(dòng)阻力功率，kW；Pi——坡度阻力功率，kW；Pw——空氣阻力功率，kW；Pj——加速阻力功率，kW；Va——車速，km／h；m——整車質(zhì)量，kg；g——重力加速度，m／s2；f——輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)；i——道路坡度；Cd——風(fēng)阻系數(shù)；A——迎風(fēng)面積，m2；δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；a——加速度，m／s2。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率首先須滿足電動(dòng)汽車最高車速、加速能力、最大爬坡度的功率需求。其次為了純電動(dòng)汽車在滿載狀態(tài)下具有良好的動(dòng)力性，驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率常常需要留有一定的冗余量，計(jì)算公式如下：

式中：ε——功率冗余量；P1——車輛以最高車速行駛時(shí)的需求功率；P2——車輛在0-100km／h加速行駛時(shí)的需求功率；P3——車輛以不低于6km／h的車速爬上最大坡度時(shí)的需求功率。

2.2 電池參數(shù)匹配與選型

當(dāng)前技術(shù)比較成熟、在電動(dòng)汽車上應(yīng)用較多的動(dòng)力電池主要是三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池。三元鋰離子電池在能量密度、比功率等方面的性能更加出色，在純電動(dòng)乘用車領(lǐng)域應(yīng)用最為普遍，本文動(dòng)力電池選擇三元鋰離子電池。動(dòng)力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要考慮電動(dòng)汽車行駛時(shí)的最大輸出功率和能量消耗率，以保證車輛動(dòng)力性和續(xù)駛里程的要求。根據(jù)電池特性及供應(yīng)商資源，擬選定的電池單體標(biāo)稱電壓為3.65V，標(biāo)稱容量為180Ah。電池包初定由102個(gè)單體采用1P102S（1并102串）的形式組成。

2.3 減速器速比的匹配

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)相比發(fā)動(dòng)機(jī)具有較大的調(diào)速范圍，但是僅通過電機(jī)自身的調(diào)節(jié)難以適應(yīng)各種復(fù)雜的行駛工況，需要一個(gè)減速器或變速器與電機(jī)協(xié)調(diào)匹配來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車在不同工況下的正常行駛，合理的速比設(shè)置可以調(diào)節(jié)電機(jī)的工作區(qū)間，使其較長時(shí)間工作在電機(jī)的高效區(qū)，減輕電機(jī)和電池的負(fù)荷，進(jìn)而提高電動(dòng)汽車的運(yùn)行效率［7］。在電動(dòng)機(jī)輸出特性一定時(shí)，傳動(dòng)系速比的選擇主要取決于電動(dòng)汽車的動(dòng)力性要求。即最大速比取決于整車的最大爬坡度，最小速比取決于整車的最高車速。本文選擇的是兩擋變速器，即1擋對(duì)應(yīng)最大速比、2擋對(duì)應(yīng)最小速比。

1擋速比的選擇，應(yīng)滿足最大爬坡度的需求，即：

2擋速比的選擇，應(yīng)滿足最高車速的需求，即：

代入?yún)?shù)計(jì)算后，得到純電動(dòng)汽車關(guān)鍵動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)如表3所示。

表3 關(guān)鍵動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)表

3 建模與仿真分析

3.1 搭建整車仿真模型

為了驗(yàn)證兩擋純電動(dòng)汽車主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)參數(shù)的合理性，降低項(xiàng)目開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，本研究在Matlab／Simulink環(huán)境下搭建一整套帶兩擋變速器的純電動(dòng)汽車整車仿真模型，對(duì)項(xiàng)目車型進(jìn)行動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性仿真分析，并對(duì)兩擋變速器換擋策略進(jìn)行優(yōu)化和評(píng)估。兩擋純電動(dòng)汽車仿真模型架構(gòu)示意圖如圖1所示。

3.2 整車性能仿真分析

根據(jù)電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 18386—2017［8］的規(guī)定，輸入研究車型整車及動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，采用變速器廠家提供的原始換擋策略，在搭建的仿真模型中對(duì)其基于最新的CLTC循環(huán)工況的續(xù)駛里程等經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行了仿真分析，CLTC工況下的仿真車速曲線與擋位圖如圖2所示。

圖1 兩擋純電動(dòng)汽車仿真模型架構(gòu)示意圖

圖2 CLTC工況下的仿真車速曲線與擋位圖

圖2 中顯然兩條車速曲線基本重合，表明研究車型動(dòng)力性能符合跟隨CLTC中國工況法的基本要求，同時(shí)也初步驗(yàn)證了在Matlab／Simulink環(huán)境下搭建的純電動(dòng)仿真模型對(duì)整車進(jìn)行基于CLTC中國工況經(jīng)濟(jì)性能仿真的可行性。另外，圖2中的擋位變化曲線顯示車輛在低速時(shí)在1擋狀態(tài)，車速較高時(shí)進(jìn)入到2擋，整個(gè)換擋過程基本合理。

根據(jù)電動(dòng)汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)方法國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 18385的規(guī)定，采用原始換擋策略，對(duì)研究車型進(jìn)行最高車速、加速性能、爬坡性能等動(dòng)力性能進(jìn)行仿真分析，整車加速與擋位變化過程如圖3所示。

原始換擋策略下整車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性主要參數(shù)仿真結(jié)果如表4所示。其中最高車速、加速時(shí)間、爬坡能力等動(dòng)力性能都已滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，但CLTC工況續(xù)駛里程還稍短于目標(biāo)里程，需要進(jìn)一步優(yōu)化車輛的經(jīng)濟(jì)性能。

4 換擋策略仿真與優(yōu)化

對(duì)于裝有多擋變速器的純電動(dòng)汽車而言，通過優(yōu)化換擋策略來改善整車性能，無須增加額外的整車成本，且該措施尤其對(duì)經(jīng)濟(jì)性能的改善較為明顯，是整車研發(fā)設(shè)計(jì)中一種常用的手段。本研究在兩擋變速器原始換擋策略基礎(chǔ)上增加了5組換擋策略 （曲線），如圖4所示。

圖3 整車加速與換擋過程曲線圖

表4 原始換擋策略整車性能仿真結(jié)果

圖4 兩擋變速器不同換擋曲線圖

換擋策略調(diào)整優(yōu)化的主要思路是：調(diào)高了其中1組換擋策略各油門深度下的換擋車速，推遲了換擋時(shí)間，理論上對(duì)整車動(dòng)力性有利；調(diào)低了另外4組換擋策略的換擋車速，加快了換擋時(shí)間，理論上對(duì)整車經(jīng)濟(jì)性有利。分別對(duì)這6組換擋策略 （曲線）進(jìn)行動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性仿真，分析其對(duì)整車性能的影響，結(jié)果如表5所示。

表5 不同換擋策略的整車性能仿真結(jié)果

通過分析表5結(jié)果可知，除了調(diào)整策略5的動(dòng)力性略差外，其余4組調(diào)整策略的動(dòng)力性均與原始策略相同。因?yàn)檫@些策略下純電動(dòng)汽車換擋時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)已進(jìn)入恒功率模式，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率不變，相同車速下的車輪端驅(qū)動(dòng)扭矩也不變，所以只要驅(qū)動(dòng)電機(jī)沒有超出最高轉(zhuǎn)速，無論變速器是在1擋還是2擋，整車動(dòng)力性都一致。換擋策略對(duì)純電動(dòng)汽車CLTC工況下的續(xù)駛里程產(chǎn)生了一定的影響，表5中結(jié)果顯示采用調(diào)整策略3時(shí)的整車經(jīng)濟(jì)性最好，CLTC工況續(xù)駛里程和動(dòng)力性都達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)要求，故推薦整車采用調(diào)整策略3這組換擋曲線。

5 結(jié)束語

純電動(dòng)汽車的性能優(yōu)化是工程實(shí)踐中的一個(gè)熱點(diǎn)問題，本研究以某型兩擋純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，對(duì)其電機(jī)、電池、兩擋變速器等關(guān)鍵動(dòng)力系統(tǒng)零部件進(jìn)行了選型和參數(shù)匹配。在Matlab／Simulink環(huán)境下搭建了整車仿真模型，對(duì)研究車型進(jìn)行了基于CLTC工況的性能仿真分析，發(fā)現(xiàn)了原車經(jīng)濟(jì)性能和原始換擋策略的不足，并提出了5組調(diào)整換擋策略方案，最終得到了一組可以滿足項(xiàng)目所有預(yù)設(shè)性能目標(biāo)的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)及換擋策略，為車型開發(fā)提供了重要的理論依據(jù)。