黃文凱，程輝軍，儲(chǔ)愛(ài)華

（1.浙江遠(yuǎn)程商用車研發(fā)有限公司，杭州 310020；2.吉利汽車集團(tuán)有限公司上海分公司，上海 201616）

前言

隨著國(guó)家工信部對(duì)《重型商用車輛燃料消耗量限值》第四階段油耗限值提上日程，商用車企業(yè)將面臨嚴(yán)重的油耗壓力。同時(shí)，隨著國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷升級(jí)，各地國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)實(shí)施，企業(yè)同時(shí)面臨嚴(yán)苛的排放壓力。此外，隨著俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)的持續(xù)發(fā)酵，國(guó)際油價(jià)持續(xù)飆升。在此背景下，純電動(dòng)商用車越來(lái)越受到企業(yè)的重視。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)主流商用車企業(yè)都已陸續(xù)推出純電動(dòng)產(chǎn)品。

在純電重型商用車領(lǐng)域，當(dāng)前比較流行的純電動(dòng)重型商用車動(dòng)力總成方案采用單電機(jī)方案，單電機(jī)方案中一般都是采用低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)。低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速范圍較窄，可以提供較大轉(zhuǎn)矩。

本文通過(guò)對(duì)比單電機(jī)-6AMT 變速器系統(tǒng)在相同車輛上應(yīng)用的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真以及試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證四電機(jī)-4AMT 系統(tǒng)在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢(shì)。集中式中心驅(qū)動(dòng)四電機(jī)-4AMT 變速器系統(tǒng)采用了乘用車上普及的高速小轉(zhuǎn)矩電機(jī)，帶動(dòng)4 個(gè)小齒輪通過(guò)外嚙合同一個(gè)大齒輪，再經(jīng)過(guò)4AMT 變速增轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動(dòng)車輪。集中式中心驅(qū)動(dòng)四電機(jī)-4AMT 變速器系的外特性遠(yuǎn)超單電機(jī)-6AMT 變速器系統(tǒng)。同時(shí)部分負(fù)荷下，四電機(jī)系統(tǒng)還可以靈活分配四電機(jī)轉(zhuǎn)矩，結(jié)合少部分換擋，從而增加調(diào)節(jié)工況，進(jìn)而在提高效率的基礎(chǔ)上又減少換擋工況，降低了換擋沖擊發(fā)生的可能性。同時(shí)，也降低變速器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性并減小變速器尺寸。

1 整車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 純電動(dòng)商用車的動(dòng)力性指標(biāo)

純電動(dòng)商用車的動(dòng)力性指標(biāo)主要包括純電動(dòng)商用車的最高車速、加速性能、爬坡性能等。根據(jù)GB/T 18385—2021《電動(dòng)汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》［1］，純電動(dòng)商用車的動(dòng)力性主要由以下3個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)定：

（1）純電動(dòng)商用車的最高車速

純電動(dòng)商用車的最高車速由以下兩個(gè)指標(biāo)來(lái)定義：①30 min 最高車速，指純電動(dòng)商用車能夠持續(xù)行駛30 min 以上的最高平均車速；②1 km 最高車速，指純電動(dòng)商用車能夠往返各持續(xù)行駛1 km 以上距離的最高車速的平均值。

（2）純電動(dòng)商用車的加速能力

純電動(dòng)商用車的加速能力是指純電動(dòng)商用車從速度v1加速到v2所需的最短時(shí)間。

（3）純電動(dòng)商用車的爬坡能力

純電動(dòng)商用車的爬坡能力包含以下兩個(gè)指標(biāo)：①爬坡車速，純電動(dòng)商用車在給定坡度（通常為4%或12%）的坡道上能夠持續(xù)行駛1 km 以上的最高平均車速；②坡道起步能力，純電動(dòng)商用車在坡道上能夠起動(dòng)且1 min 以內(nèi)向上行駛至少10 m 的最大坡度。

1.2 純電動(dòng)商用車的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

根據(jù)GB/T 18386—2017 《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》［2］，純電動(dòng)商用車的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)如表1 所示。通常純電動(dòng)商用車經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)按在一定工況（循環(huán)工況或等速工況）下能耗來(lái)定義。

表1 純電動(dòng)商用車整車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

2 整車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性仿真建模

2.1 整車動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)文獻(xiàn)［3］，汽車行駛時(shí)必須克服滾動(dòng)阻力、空氣阻力、在一定坡度上由重力產(chǎn)生的坡度阻力以及行駛中的加速阻力，整車動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 整車動(dòng)力學(xué)受力模型

總阻力為

式中：Ff為滾動(dòng)阻力，N；Fi為坡道阻力，N；Fw為空氣阻力，N；Fj為加速阻力，N。

由此可以得到純電動(dòng)汽車的行駛方程式為

式中：Te為電機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；i0為主減速器速比；ign為變速器當(dāng)前擋位速比；ηT為傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率；r為車輪滾動(dòng)半徑，m；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2；v為行駛車速，km/h；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；m為汽車質(zhì)量，kg。

因?yàn)楸疚闹胁簧婕帮w輪，所以旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)可以表示為

式中Iw為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量［4］。

本文目標(biāo)車輛的參數(shù)如表2所示。

表2 整車參數(shù)與技術(shù)要求

根據(jù)車輛動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性要求，建立整車仿真模型，如圖2所示。

圖2 整車仿真模型

2.2 動(dòng)力電池模型

純電動(dòng)汽車中動(dòng)力電池是最重要的零部件之一，尤其在純電動(dòng)重型商用車領(lǐng)域，電池作為唯一的動(dòng)力來(lái)源，就更為重要。其主要作用在于，為電機(jī)提供能量驅(qū)動(dòng)車輪，滑行或制動(dòng)時(shí)，配合底盤(pán)進(jìn)行能量回收。在不考慮電池壽命以及溫度變化的影響下，通過(guò)試驗(yàn)可得電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻模型［4］：

式中：ESOC為當(dāng)前狀態(tài)下的電動(dòng)勢(shì)；E0為電池電動(dòng)常數(shù)擬合系數(shù)；SOC為電池的荷電狀態(tài)。

式中：RSOC為當(dāng)前狀態(tài)下的內(nèi)阻；δ0為內(nèi)阻隨電流變化的補(bǔ)償系數(shù)；R0為電池的內(nèi)阻常數(shù)；λi為擬合系數(shù)；I為電池電流；Qbat為電池容量；Pbat為電池功率。

根據(jù)以上電池理論公式進(jìn)行電池模型的搭建。本文為更直觀分析兩種動(dòng)力傳動(dòng)方案的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，均匹配同一款動(dòng)力電池進(jìn)行仿真與試驗(yàn)。

2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型

電機(jī)是純電動(dòng)重型商用車的主要?jiǎng)恿υ?，?qū)動(dòng)時(shí)輸出正轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)車輛，制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩以給動(dòng)力電池充電。目前新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的電機(jī)類型是永磁同步電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率因數(shù)高且響應(yīng)速度快。電動(dòng)機(jī)功率可以表示［5-7］為

在純電動(dòng)重型商用車領(lǐng)域，較流行的是低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)，但由于轉(zhuǎn)矩需求較大，而電機(jī)轉(zhuǎn)矩又與電機(jī)質(zhì)量、尺寸、成本等直接相關(guān)。因此，純電動(dòng)重型商用車的電機(jī)成本較高，且尺寸較大，不利于布置。電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 電機(jī)參數(shù)對(duì)比

本文討論的兩種方案中電機(jī)均采用永磁同步電機(jī)。所不同的是，單電機(jī)-6AMT 變速器方案采用低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)。特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速范圍較低，可以提供較大轉(zhuǎn)矩，但缺點(diǎn)也是很明顯，電機(jī)尺寸大、成本高、質(zhì)量偏重，高效區(qū)域偏小。集中式中心驅(qū)動(dòng)四電機(jī)-4AMT 變速器方案采用高速小電機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、尺寸小，且乘用車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，具有成本優(yōu)勢(shì)。但單個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩不能滿足重型商用車需求，需要4個(gè)電機(jī)配合一組外嚙合齒輪來(lái)滿足。

單電機(jī)-6AMT 變速器系統(tǒng)電機(jī)效率曲線如圖3所示，集中式中心驅(qū)動(dòng)四電機(jī)-4AMT 變速器系統(tǒng)電機(jī)效率曲線如圖4所示。

圖3 單電機(jī)-6AMT變速器系統(tǒng)電機(jī)效率曲線

圖4 集中式中心驅(qū)動(dòng)四電機(jī)-4AMT變速器系統(tǒng)電機(jī)效率曲線

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)模型

單電機(jī)-6AMT 變速器系統(tǒng)和集中式中心驅(qū)動(dòng)四電機(jī)-4AMT 變速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置如圖5 和圖6 所示。圖5 中EM 表示單電機(jī)，為大轉(zhuǎn)矩低速電機(jī)；電機(jī)給輸入軸傳輸動(dòng)力，再經(jīng)過(guò)一個(gè)6 個(gè)擋位的AMT變速器系統(tǒng)，從而驅(qū)動(dòng)車輪。該系統(tǒng)類似傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)與AMT 變速器的組合，只是將發(fā)動(dòng)機(jī)替換成了大電機(jī)EM。圖6 中共有4 個(gè)電機(jī)，即EM1、EM2、EM3、EM4，為乘用車領(lǐng)域普及的高速小型化電機(jī)，4 個(gè)小電機(jī)分別通過(guò)4 個(gè)齒輪與同一個(gè)大齒輪外嚙合，給輸入軸傳輸動(dòng)力，再經(jīng)過(guò)一個(gè)4 個(gè)擋位的AMT 變速器系統(tǒng)，從而驅(qū)動(dòng)車輪。該系統(tǒng)的特色在于采用廣泛應(yīng)用的高速小電機(jī)，降低了電機(jī)采購(gòu)成本；同時(shí)靈活分配四電機(jī)轉(zhuǎn)矩或電機(jī)的工作數(shù)量，結(jié)合少量擋位，就可實(shí)現(xiàn)多種工作模式的切換，從而減小變速器尺寸，節(jié)省整車總布置空間。

圖5 單電機(jī)-6AMT變速器系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖6 集中式中心驅(qū)動(dòng)四電機(jī)-4AMT變速器系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

根據(jù)外嚙合齒輪的傳動(dòng)規(guī)律，建立四電機(jī)外嚙合齒輪的動(dòng)力學(xué)方程：

式中：Tpi為小齒輪轉(zhuǎn)矩，N·m；Ts為大齒輪轉(zhuǎn)矩，N·m；Tei為電機(jī)轉(zhuǎn)矩；rs為大齒輪半徑；rpi為小齒輪半徑；ωpi為小齒輪角速度；ωs為大齒輪角速度；Jpi為小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Js為大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。傳動(dòng)系統(tǒng)速比對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 傳動(dòng)系統(tǒng)速比對(duì)比

2.5 換擋策略

單電機(jī)-6AMT 變速器系統(tǒng)的換擋策略與傳統(tǒng)換擋策略基本一致，傳統(tǒng)換擋策略的制定主要在已知整車參數(shù)的條件下，根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)理論，考慮汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及駕駛性等建立換擋模型。

傳統(tǒng)換擋策略不能同時(shí)兼顧整車的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，單電機(jī)-6AMT 變速器系統(tǒng)的換擋策略與傳統(tǒng)換擋策略類似。在保證純電動(dòng)重型商用車動(dòng)力性的基礎(chǔ)上，盡可能降低能耗，為解決該問(wèn)題須制定兼顧動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的綜合換擋策略。圖7 為單電機(jī)-6AMT變速器系統(tǒng)換擋曲線［8-11］。

圖7 傳統(tǒng)綜合換擋曲線

由此可知，在中低車速下，轉(zhuǎn)矩需求變化較為頻繁，最優(yōu)擋位受轉(zhuǎn)矩需求決定，傳統(tǒng)的換擋策略易導(dǎo)致?lián)Q擋頻繁。

而集中式中心驅(qū)動(dòng)四電機(jī)-4AMT 變速器系統(tǒng)，靈活選取電機(jī)工作數(shù)量，同時(shí)結(jié)合4AMT 擋位，實(shí)現(xiàn)工作模式的轉(zhuǎn)換。考慮到整車目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的需求，以及盡量少換擋的優(yōu)勢(shì)，工作電機(jī)數(shù)量轉(zhuǎn)換如圖8 所示，其中橫軸為輸出軸轉(zhuǎn)速，縱軸為工作電機(jī)總轉(zhuǎn)矩，工作電機(jī)數(shù)量各區(qū)域轉(zhuǎn)速臨界點(diǎn)為轉(zhuǎn)換點(diǎn)。因此，工作電機(jī)數(shù)量轉(zhuǎn)換可以在圖中清楚看出。除單電機(jī)工作區(qū)域能力不能達(dá)到整車的最大轉(zhuǎn)矩需求外，其余工作電機(jī)數(shù)量區(qū)域均可達(dá)到整車最大轉(zhuǎn)矩需求。在單電機(jī)工作狀態(tài)下，輸出軸轉(zhuǎn)速增加到切換雙電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)切換到雙電機(jī)工作狀態(tài)。在切換過(guò)程中，兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩采用梯度控制，此消彼長(zhǎng)，最終達(dá)到兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩一致。以此類推，雙電機(jī)切換三電機(jī)，三電機(jī)切換四電機(jī)也是這樣的控制方式。反之，在四電機(jī)工作狀態(tài)下，輸出軸轉(zhuǎn)速下降到切換三電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)切換到三電機(jī)工作狀態(tài)，在切換過(guò)程中，3 個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩同樣采用梯度控制，此消彼長(zhǎng)，最終達(dá)到3 個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩一致。以此類推，三電機(jī)切換雙電機(jī)，雙電機(jī)切換單電機(jī)也是這樣的控制方式。

圖8 集中式中心驅(qū)動(dòng)四電機(jī)-4AMT變速器系統(tǒng)工作電機(jī)數(shù)量

新型換擋曲線如圖9 所示。其中橫軸表示輸出軸轉(zhuǎn)速，縱軸表示輸出軸轉(zhuǎn)矩需求。由于2 擋已大大滿足整車最大轉(zhuǎn)矩需求，為減少換擋，暫不使用1擋。因此，目前只有2-3、3-2、3-4、4-3 這4 個(gè)換擋工況，從而大大減少擋位切換可能帶來(lái)的沖擊。

圖9 集中式中心驅(qū)動(dòng)四電機(jī)-4AMT變速器系統(tǒng)新型換擋曲線

把以上電機(jī)工作數(shù)量和換擋曲線結(jié)合起來(lái)，就可得到12 種不同的工作區(qū)間，相比于單電機(jī)-6AMT變速器系統(tǒng)翻了一倍，且區(qū)域之間更為線性。

3 動(dòng)力性仿真結(jié)果

表5 為動(dòng)力性仿真結(jié)果。從表5 可以看出，0-80 km/h 起步加速時(shí)間（滿載）、60-80 km/h 超越加速時(shí)間（滿載）、滿載持續(xù)最高車速、4%爬坡車速、12%爬坡車速和最大爬坡度（滿載）均有不同幅度的提升，提升度如圖10 所示。其中除滿載持續(xù)最高車速和最大爬坡度（滿載）提升不足10%外，其余動(dòng)力性指標(biāo)均提升接近20%。由此可以看出，在動(dòng)力性方面，集中式中心驅(qū)動(dòng)四電機(jī)-4AMT 變速器系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯。

圖10 動(dòng)力性仿真結(jié)果提升度

表5 動(dòng)力性仿真結(jié)果

4 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

重型純電動(dòng)商用車經(jīng)濟(jì)性工況如圖11 所示，按照C-WTVC 循環(huán)曲線中的公路和高速工況來(lái)進(jìn)行仿真計(jì)算［12-13］。

圖11 C-WTVC循環(huán)工況

對(duì)于單電機(jī)-6AMT 變速器系統(tǒng)，只能通過(guò)傳統(tǒng)的變速器換擋點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電機(jī)保持在高效區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)處于高效區(qū)工作。

但對(duì)于集中式中心驅(qū)動(dòng)四電機(jī)-4AMT 變速器系統(tǒng)，不僅可通過(guò)變速器換擋來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)處于高效區(qū)工作，還可通過(guò)電機(jī)工作數(shù)量的靈活切換來(lái)保持系統(tǒng)處于高效區(qū)工作。兩者相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工作模式的變換及系統(tǒng)高效區(qū)域的擴(kuò)展。

表6為經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果。從表6可以看出，滿載百公里能耗基本相當(dāng)，半載和空載百公里能耗相較于滿載降低效果明顯，如圖12 所示，提升度分別達(dá)到8.4%和17.2%。

表6 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

圖12 四電機(jī)-4AMT變速器系統(tǒng)提升度

從以上動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果可以看出，除滿載百公里能耗指標(biāo)基本相當(dāng)外，其余整車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)均得到提升。

5 試驗(yàn)結(jié)果

在試車場(chǎng)對(duì)車輛進(jìn)行配載，分別進(jìn)行滿載起步加速、超車加速及爬坡等試驗(yàn)。按照C-WTVC 工況，分別進(jìn)行空載、半載和滿載能耗試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

動(dòng)力性方面：0-80 km/h 起步加速時(shí)間（滿載）、60-80 km/h 超越加速時(shí)間（滿載）、滿載持續(xù)最高車速、4%爬坡車速、12%爬坡車速和最大爬坡度（滿載）均有不同程度的提升。其中除滿載持續(xù)最高車速和最大爬坡度（滿載）提升不足10%外，其余動(dòng)力性指標(biāo)均提升接近20%。由此可以看出，在動(dòng)力性方面，集中式中心驅(qū)動(dòng)四電機(jī)-4AMT 變速器系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯。且試驗(yàn)與仿真結(jié)果保持高度一致，再次驗(yàn)證了集中式中心驅(qū)動(dòng)四電機(jī)-4AMT 變速器系統(tǒng)相較于單電機(jī)-6AMT 變速器系統(tǒng)在動(dòng)力性方面的優(yōu)勢(shì)明顯。

滿載百公里能耗基本相當(dāng)，半載和空載百公里能耗降低效果明顯，分別達(dá)到9.7%和18.2%。且試驗(yàn)與仿真結(jié)果保持高度一致，再次驗(yàn)證了集中式中心驅(qū)動(dòng)四電機(jī)-4AMT變速器系統(tǒng)相較于單電機(jī)-6AMT變速器系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)明顯。

6 結(jié)論

集中式中心驅(qū)動(dòng)四電機(jī)-4AMT 變速器系統(tǒng)相比于單電機(jī)-6AMT 變速器系統(tǒng)，除滿載百公里能耗指標(biāo)基本相當(dāng)，以及滿載持續(xù)最高車速和最大爬坡度（滿載）提升不足10%外，其余動(dòng)力性指標(biāo)均提升超過(guò)10%，有的甚至接近20%。

因此，集中式中心驅(qū)動(dòng)四電機(jī)-4AMT 變速器系統(tǒng)應(yīng)用于純電動(dòng)重型商用車，不僅可提升動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性，還可以減小動(dòng)力總成大小和質(zhì)量，節(jié)省整車布置空間。另外，采用乘用車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的小型高速化電機(jī)，可利用其規(guī)?；⒊杀镜偷膬?yōu)勢(shì)，降低整車成本。