夏靖武，潘世林，陳 林，梅周盛，周 斌

(漢騰汽車(chē)有限公司，江西 上饒 334100)

通過(guò)仿真分析來(lái)進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的匹配與優(yōu)化，是電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)中的一個(gè)重要途徑[1-3]。在有限的布置空間里匹配動(dòng)力總成參數(shù)，是純電動(dòng)多功能商務(wù)車(chē)(MPV)研發(fā)亟需解決的重要問(wèn)題。現(xiàn)有方法大多借助CRUISE軟件、基于NEDC工況對(duì)純電動(dòng)MPV進(jìn)行了仿真分析和參數(shù)匹配[4-5]。本文在Matlab/Simulink環(huán)境下，搭建某型純電動(dòng)MPV的整車(chē)仿真模型，基于最新的中國(guó)輕型汽車(chē)行駛工況(CLTC)進(jìn)行仿真分析，提出其動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的匹配與優(yōu)化方案。

1 整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

1.1 整車(chē)主要參數(shù)與性能目標(biāo)

研究車(chē)型依托于傳統(tǒng)燃油MPV進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)改造，其長(zhǎng)×寬×高為4 830 mm×1 860 mm×1 720 mm，整備質(zhì)量為1 995 kg,最大總質(zhì)量為2 520 kg，空氣阻力系數(shù)Cd為0.34，迎風(fēng)面積A為2.67 m2，滾動(dòng)阻力系數(shù)f為0.009 5，車(chē)輪滾動(dòng)半徑r為327 mm，傳動(dòng)效率ηt為0.9。

整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的要求。動(dòng)力性可用3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)：最高車(chē)速、加速性能和最大爬坡度[6]；經(jīng)濟(jì)性可用續(xù)駛里程和能量消耗率評(píng)價(jià)。主要性能設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：30 min最高車(chē)速≥130 km/h，0～50 km/h加速時(shí)間≤6 s，50～80 km/h加速時(shí)間≤5 s，0～100 km/h加速時(shí)間≤12 s，最大爬坡度(爬坡車(chē)速不低于6 km/h)≥20%，CLTC工況續(xù)駛里程LCLTC≥400 km，百公里能量消耗率W≤15 kWh。

1.2 運(yùn)算方法

1.3 電機(jī)參數(shù)匹配與選型

所選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)的動(dòng)力性應(yīng)滿(mǎn)足GB/T 18385—2005的要求[8]。電機(jī)功率越大，車(chē)輛動(dòng)力性越好，但電機(jī)的體積、重量和成本也會(huì)相應(yīng)增加[9]。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(chē)上的應(yīng)用最廣泛，本文選擇永磁同步電機(jī)。

1.3.1 電機(jī)功率的計(jì)算與匹配

根據(jù)《汽車(chē)?yán)碚摗分衅?chē)功率平衡方程式[10]：

1) 計(jì)算最高車(chē)速功率需求。電動(dòng)汽車(chē)以最高車(chē)速行駛時(shí)，主要受到來(lái)自車(chē)輪的滾動(dòng)阻力和整車(chē)的空氣阻力，加速阻力和坡度阻力視為零，則車(chē)輛30 min最高車(chē)速時(shí)的電機(jī)功率需求Pv應(yīng)滿(mǎn)足：

Pv≥(m1gfVmax/3 600+CdAVmax3/76 140)/ηt

式中：m1為車(chē)輛半載質(zhì)量,kg;g為重力加速度,m/s2；Vmax為30 min最高車(chē)速,km/h。代入相關(guān)數(shù)值得Pv≥37.6 kW。

2) 計(jì)算最大爬坡度功率需求。電動(dòng)汽車(chē)在最大爬坡度工況時(shí)，主要受到來(lái)自車(chē)輪的滾動(dòng)阻力、整車(chē)的坡度阻力和空氣阻力，加速阻力視為零，則最大爬坡度時(shí)的電機(jī)功率需求Pi應(yīng)滿(mǎn)足：

式中：m2為車(chē)輛滿(mǎn)載最大總質(zhì)量，kg；αmax為最大爬坡度對(duì)應(yīng)的角度；Vi為爬坡車(chē)速，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取15 km/h。代入相關(guān)數(shù)值得Pi≥ 23.5 kW。

3) 計(jì)算加速時(shí)間功率需求。電動(dòng)汽車(chē)加速時(shí)，主要受到來(lái)自車(chē)輪的滾動(dòng)阻力、空氣阻力和加速阻力，默認(rèn)在平路工況，坡度阻力為零，則0～100 km/h加速時(shí)的電機(jī)功率需求Pa應(yīng)滿(mǎn)足：

式中：tj為車(chē)輛0～100 km/h加速時(shí)間，s；Vj為加速結(jié)束時(shí)的車(chē)速，km/h；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.08。代入相關(guān)數(shù)值得Pa≥103.2 kW。

4) 峰值功率的確定。電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)峰值功率應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足上面3個(gè)要求，即不小于三者的最大值[11]。MPV滿(mǎn)載可坐7人，滿(mǎn)載質(zhì)量比法規(guī)要求的加速性能測(cè)試加載質(zhì)量重了約260 kg(7×75/2=262.5 kg)，為了使純電動(dòng)MPV在滿(mǎn)載時(shí)也具有更佳的加速性能，電機(jī)峰值功率應(yīng)在滿(mǎn)足上述要求的基礎(chǔ)上增加一定的冗余量ε，因此：

Pp≥(1+ε)·max(Pv，Pi，Pa)

取ε=[10%，20%]，計(jì)算得出電機(jī)峰值功率Pp=[113.5，123.8]kW。

5) 額定功率的確定。電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)額定功率Pr的選取，首先應(yīng)滿(mǎn)足車(chē)輛以30 min最高車(chē)速行駛的功率需求，即Pr≥Pv。其次，電機(jī)峰值功率Pp與額定功率Pr的比值(稱(chēng)為電機(jī)的過(guò)載系數(shù)λ，即λ=Pp/Pr)通常不超過(guò)2.5。取過(guò)載系數(shù)λ=[2，2.5]，峰值功率Pp=[113.5，123.8]kW，可算出電機(jī)額定功率Pr=[45.4，61.9]kW。

1.3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速的匹配與選型

1) 最高車(chē)速。電機(jī)最高轉(zhuǎn)速越高，電動(dòng)汽車(chē)可以獲得的車(chē)速越高，而且電機(jī)轉(zhuǎn)速提高以后，相同的最高車(chē)速可以選擇更大的減速比，從而可以增大電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)扭矩，獲得更好的加速性能。但最高轉(zhuǎn)速nmax超過(guò)10 000 r/min的高速電機(jī)對(duì)軸承工藝和減速器等的要求都很高，成本增加明顯。從成本角度出發(fā)，量產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)大多選擇nmax在10 000 r/min以?xún)?nèi)的中速電機(jī)。本文車(chē)型電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax擬選擇市場(chǎng)上較為常用的9 000 r/min。

2) 額定轉(zhuǎn)速。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nr，也稱(chēng)為電機(jī)的基速，是由電機(jī)的勵(lì)磁繞組決定的。相同功率的電機(jī)，基速越小，峰值扭矩就越大，電動(dòng)汽車(chē)的起步加速性能就越好。不過(guò)基速小的電機(jī)，若要達(dá)到同樣的最高轉(zhuǎn)速，需要通過(guò)更大程度的弱磁來(lái)實(shí)現(xiàn)，而弱磁會(huì)損失電能、降低電機(jī)的效率?；俦圈聻殡姍C(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax與額定轉(zhuǎn)速nr之比，行業(yè)內(nèi)通常選擇電機(jī)基速比β在2～3之間。本文取β=[2，2.5]，計(jì)算可得電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nr=[3 600，4 500]r/min。

1.3.3 電機(jī)扭矩的計(jì)算與匹配

電機(jī)在轉(zhuǎn)速小于基速時(shí)是恒轉(zhuǎn)矩模式，在轉(zhuǎn)速大于基速后是恒功率模式。在恒轉(zhuǎn)矩模式下的峰值扭矩主要影響電動(dòng)汽車(chē)的最大爬坡度和起步加速性能。

根據(jù)電機(jī)峰值功率、基速、峰值扭矩關(guān)系式及電機(jī)的恒扭矩恒功率特性，電機(jī)峰值扭矩應(yīng)滿(mǎn)足：

Tp=9 550βPp/nmax

代入β=[2，2.5]、Pp=[113.5，123.8]kW，計(jì)算可得電機(jī)峰值扭矩Tp=[241，328]Nm。

電機(jī)額定扭矩主要影響電動(dòng)汽車(chē)持續(xù)爬坡性能，其計(jì)算公式為：

Tr=9 550Pr/nr

代入Pr=[45.4，61.9]kW、nr=[3 600，4 500]r/min，計(jì)算可得電機(jī)額定扭矩Tr=[96，164]Nm。通過(guò)以上分析，結(jié)合市場(chǎng)上電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)品資源，初步確定電機(jī)參數(shù)如下：峰值功率Pp為120 kW，額定功率Pr為55 kW，峰值扭矩Tp為280 Nm，額定扭矩Tr為131 Nm，最高轉(zhuǎn)速nmax為9 000 r/min，額定轉(zhuǎn)速nr為4 000 r/min。

1.4 電池參數(shù)匹配與選型

電池包的容量直接影響純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程，其放電功率間接影響電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性。本車(chē)型選擇在小型客車(chē)和乘用車(chē)上應(yīng)用更加普遍的三元鋰離子動(dòng)力電池，擬選定的單體電池的標(biāo)稱(chēng)電壓U0為3.65 V，標(biāo)稱(chēng)容量C0為180 Ah。根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)高壓系統(tǒng)電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31466—2015[12]要求，電池包標(biāo)稱(chēng)電壓Ub最常用等級(jí)為346 V，按±5%取值，即Ub=[328.7，363.3]V，由此可得單體電池串聯(lián)數(shù)nS=[90，100]。電動(dòng)汽車(chē)最大續(xù)駛里程對(duì)應(yīng)的電池放電窗口選取為100%→10%,即放電深度ξ為90%。車(chē)輛續(xù)駛里程需求的總電量Qb1和電池串并形成的總電量Qb2計(jì)算公式如下：

Qb1=LCLTCW/(100ξ)

(1)

Qb2=UbCb/1 000=U0C0nPnS/1 000

(2)

式中：Cb為電池包標(biāo)稱(chēng)容量Ah;nP為單體并聯(lián)數(shù).

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該類(lèi)車(chē)輛的最小能量消耗率一般取12 kWh/100 km，即能耗率W=[12，15]kWh/100 km，代入式(1)可計(jì)算出Qb1=[53.3，66.7]kWh。由式(2)計(jì)算得Cb=[147，203]Ah，因單體電池容量C0為180 Ah，所以單體電池并聯(lián)數(shù)nP為1。參考競(jìng)品車(chē)型參數(shù)，電池總電量擬選取60 kWh，代入式(2)可得單體電池并聯(lián)數(shù)nS=91.3，根據(jù)向上取整原則，即nS取92串。

相關(guān)參數(shù)代入式(2)最終計(jì)算可得Qb2=60.4 kWh，因此電池主要參數(shù)全部擬定如下：?jiǎn)误w標(biāo)稱(chēng)電壓U0為3.65 V，單體標(biāo)稱(chēng)容量C0為180 Ah，電池包標(biāo)稱(chēng)電壓Ub為335.8 V，電池包標(biāo)稱(chēng)容量Cb為180 Ah，電池組串并形式為1并92串，電池包標(biāo)稱(chēng)總電量Qb為60.4 kWh。

1.5 主減速比匹配

主減速比的選擇，首先應(yīng)滿(mǎn)足最高車(chē)速130 km/h的需求，即：

i0≤0.377nmaxr/Vmax

其次，應(yīng)滿(mǎn)足最大爬坡度的需求，即：

i0≥r(mgf·cosαmax+mg·sinαmax)/Tpηt

通過(guò)上兩式，代入相關(guān)參數(shù)，可得出主減速比i0=[6.59，8.53]，結(jié)合主減速器供應(yīng)商資源，選定主減速比i0為7.81，采用單級(jí)減速器就可以滿(mǎn)足需求，單級(jí)減速器還具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

2 仿真分析及優(yōu)化

2.1 整車(chē)仿真模型的搭建

為了驗(yàn)證純電動(dòng)MPV參數(shù)的合理性，減小項(xiàng)目開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)整車(chē)進(jìn)行動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的仿真分析。根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)性能測(cè)試的最新標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18386—2017[13]、GB/T 38146.1—2019[14]的規(guī)定,運(yùn)用最新的CLTC中國(guó)工況法測(cè)試規(guī)程。在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建一整套電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)仿真模型，其頂層模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 純電動(dòng)汽車(chē)頂層仿真模型

選擇CLTC中國(guó)工況后，對(duì)研究車(chē)型純電動(dòng)MPV續(xù)駛里程進(jìn)行首次仿真，工況要求車(chē)速與仿真所得車(chē)速對(duì)比如圖2所示，兩條車(chē)速曲線(xiàn)基本重合，表明研究車(chē)型動(dòng)力性符合跟隨CLTC中國(guó)工況的要求，也初步驗(yàn)證了在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建的純電動(dòng)仿真模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CLTC中國(guó)工況法的仿真分析。

圖2 CLTC工況車(chē)速跟隨曲線(xiàn)圖

2.2 整車(chē)仿真結(jié)果分析

輸入研究車(chē)型整車(chē)及動(dòng)力總成零部件參數(shù)，在純電動(dòng)汽車(chē)仿真模型中對(duì)研究車(chē)型的最高車(chē)速、加速時(shí)間、最大爬坡度、純電續(xù)駛里程、能量消耗率等主要性能進(jìn)行仿真分析，其中加速仿真曲線(xiàn)與CLTC續(xù)駛里程仿真曲線(xiàn)如圖3所示，仿真結(jié)果見(jiàn)表1。

(a) 加速仿真曲線(xiàn)

(b) CLTC續(xù)駛里程仿真曲線(xiàn)

表1 整車(chē)性能仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明，研究車(chē)型還有兩項(xiàng)性能參數(shù)未達(dá)到目標(biāo)值要求，還需對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)作微調(diào)優(yōu)化。

2.3 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

1) 優(yōu)化主減速比。因仿真得出最高車(chē)速超目標(biāo)值較大，而0～100 km/h加速時(shí)間稍長(zhǎng)于目標(biāo)值，所以考慮采取優(yōu)化主減速比使得加速性能達(dá)標(biāo)。分別用供應(yīng)商提供的8.07、8.26、8.51 3組主減速比再次進(jìn)行仿真分析，結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 3組主減速比仿真結(jié)果對(duì)比

主減速比選8.07時(shí)，加速性能仍然不達(dá)標(biāo)。選8.51時(shí)，最高車(chē)速剛剛達(dá)標(biāo)，風(fēng)險(xiǎn)較大。因此主減速比選擇8.26最合適。

2) 增大電池總電量。續(xù)駛里程不達(dá)標(biāo)，主要優(yōu)化途徑是適當(dāng)增加電池電量和降低整車(chē)阻力，而且這些措施對(duì)動(dòng)力性、能耗也是有利影響。根據(jù)電池串并規(guī)則，電池組可以由92串增加到100串，即電池包標(biāo)稱(chēng)電量提升到65.7 kWh，電池包標(biāo)稱(chēng)電壓365 V。另外，擬將研究車(chē)型風(fēng)阻系數(shù)按0.32控制，輪胎換用滾阻系數(shù)在0.008以下的低滾阻輪胎。再次通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，CLTC工況續(xù)駛里程可達(dá)410 km，研究車(chē)型純電動(dòng)MPV所有性能目標(biāo)全部達(dá)成。

3 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與優(yōu)化是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，以某型純電動(dòng)多功能商務(wù)車(chē)(MPV)為研究對(duì)象，對(duì)其電機(jī)、電池、主減速器等關(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)境下搭建了基于最新的CLTC工況的整車(chē)仿真模型，對(duì)研究車(chē)型進(jìn)行了有效的性能仿真分析，并提出了改進(jìn)方案，為項(xiàng)目開(kāi)發(fā)提供了必要的理論依據(jù)。