純電動物流車動力系統(tǒng)設(shè)計分析

李添鑫，陸海斌

（長安汽車輕型車研發(fā)中心，河北 定州 073000）

純電動物流車是電動貨運的一種，此類配送的特點是“末端網(wǎng)點-末端客戶”。一線城市業(yè)務量較大，出行次數(shù)受限，重點關(guān)注載貨空間；部分二三線城市配送區(qū)域劃分不嚴格，車輛運行里程高于一線城市，關(guān)注續(xù)駛里程、運營成本。根據(jù)2018年國補退坡方案，純電動貨車Ekg滿足法規(guī)要求難度較大，從市面上某款N1類純電動輕型物流車（下文簡稱Gx）改款設(shè)計思路入手，淺談純電動物流車設(shè)計思路，對關(guān)鍵系統(tǒng)進行分析，同時對動力經(jīng)濟性進行改善。

1 Gx動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

圖1為Gx電動汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中主要包含以下幾個方面：電子控制單元（ECU）、傳動裝置和驅(qū)動輪。因為驅(qū)動電機是唯一的動力驅(qū)動裝置，所以最大功率及最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩必須要滿足驅(qū)動車輛的設(shè)計需要。

根據(jù)文獻［1］，電機的主要參數(shù)主要是額定功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。正確選擇電機的參數(shù)非常重要，例如對于額定功率，如果選擇過小，則電機經(jīng)常工作在過載狀態(tài)；相反，如果選擇功率太大，則經(jīng)常工作在欠載狀態(tài)，效率及功率因數(shù)降低，不僅浪費電能，而且增加動力電池的容量，綜合經(jīng)濟效益下降。

選擇電機的額定功率時，應保證電動汽車能夠在各種工況下運行。

1）最高車速工況 電機功率P1是汽車最高行駛速度Vmax所需要滿足的功率：

式中：m——整車質(zhì)量；f——滾動阻力系數(shù)；ρa——空氣密度；A——迎風面積；ηT——動力傳動效率；CD——風阻系數(shù)。

2）最大爬坡工況 電機功率P2是指汽車爬坡行駛速度Vb所需要的功率：

式中：α——整車最大爬坡度。

3）最大加速度工況 電機功率P3是指在一定時間內(nèi)，汽車由0加速到Vb速度時需要的功率：

電動汽車的額定功率應同時滿足以上條件，所以驅(qū)動電機的額定功率：

式中：λ——電動機過載系數(shù)。

同樣的，驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)矩Tmax的選取需滿足汽車最大爬坡度要求：

式中：imax——最大的傳動比系數(shù)；r ——汽車使用輪胎的半徑。

在計算出電機最大功率后，最大轉(zhuǎn)矩可算得：

式中：ηe——電機的額定轉(zhuǎn)速。而根據(jù)公式（6）和（7）可得到電機的最大轉(zhuǎn)矩。

2 法規(guī)項分析

在散熱良好的條件下，動力電池能量密度的提高可以有效減小電池質(zhì)量。整車續(xù)航能力、整備質(zhì)量、額定載質(zhì)量等參數(shù)相關(guān)的Ekg設(shè)計值是整車設(shè)計的關(guān)鍵步驟，公式如下［2］：

式中：C——電能消耗率；M——附加質(zhì)量=1/2 載質(zhì)量。

對比2017年和2018年的補貼政策［3］（表1），滿補貼Ekg要求由0.5降低到0.35，想要達成這一目標，可以從以下兩個思路入手：①減小電能消耗率；②增加附加質(zhì)量。

式中：E——充電期間來自電網(wǎng)的能量，Wh，可以近似看作電池最大電量；D——續(xù)航里程，km。

Ekg-續(xù)駛里程曲線如圖2所示。電量跟續(xù)航里程本身是正相關(guān)的參數(shù)，因此降低電量無法從根本上解決問題，而續(xù)航里程除了與電量，還與整備質(zhì)量、傳動系數(shù)、阻力系數(shù)等相關(guān)，除了各種系數(shù)，降低整備質(zhì)量是提高D（降低C）的最主要手段。同時，降低整備質(zhì)量也是增加附加質(zhì)量的條件，附加質(zhì)量=1/2 載質(zhì)量=1/2（總質(zhì)量-整備質(zhì)量）。因此最終降低Ekg的解決方案是：增加總質(zhì)量，減少整備質(zhì)量。

表1 補貼政策

圖2 Ekg-續(xù)駛里程曲線

對于動力系統(tǒng)來說，電機電控從零部件角度降重的空間并不是很大，主要取決于供應商的平臺體系，而從整車角度來說，改變布置形式，是一個切入點。Gx動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比如圖3所示。

Gx2018款采用了后橋減速箱一體式結(jié)構(gòu)，且驅(qū)動電機也集成在后橋之上，這種結(jié)構(gòu)節(jié)省了大量的支架、連接板。同時給予電池更大布置空間，十分有利于電池提高能量密度，減少電池質(zhì)量。

3 動力系統(tǒng)Cruise仿真分析

AVL Cruise軟件是用于仿真研究車輛動力性、燃油經(jīng)濟性、排放性能與制動性能的高級仿真分析軟件。使用該軟件對Gx進行系統(tǒng)仿真，對于改款后是否能同時滿足動力經(jīng)濟性和法規(guī)項進行一次摸底，再通過摸底結(jié)果回推設(shè)計指標，是整車設(shè)計常規(guī)流程和思路。表2為Gx仿真參數(shù)。

表2 Gx仿真參數(shù)

在仿真界面通過各種選項選擇所需要的項目，并在后面輸入所需數(shù)據(jù)，來完成仿真的第一步工作。工況選擇CYC_NEDC，下面是相關(guān)結(jié)論。

從圖4可得一個NEDC循環(huán)消耗電量2.13度，因此48度電理論上可以行駛22.5個循環(huán)，總里程252 km。

計算過程如下：

圖4 部分仿真結(jié)果

C=48×1000/252=190（電能消耗率）

M =1/2（2810-1610）=600（附加質(zhì)量）

Ekg =C/M =190/600=0.316（單位載質(zhì)量能量消耗率）

滿足法規(guī)項1倍補貼要求。

4 結(jié)論

本文通過對N1類純電動物流車 Gx改款關(guān)聯(lián)參數(shù)約束分析，研究了企業(yè)做該類車型設(shè)計的一般思路：通過對動力經(jīng)濟性和法規(guī)兩方面進行具體分析，為動力系統(tǒng)詳細設(shè)計提供參考，并以實例分析具體實現(xiàn)過程。