純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作效率優(yōu)化分析

劉建春 王吉全

（中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司）

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)作為純電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中的主要?jiǎng)恿?zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作特性決定了汽車(chē)行駛的主要性能指標(biāo)，提升電機(jī)系統(tǒng)工作效率是未來(lái)電驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)[1-3]。對(duì)于電機(jī)系統(tǒng)效率的分析，傳統(tǒng)的方法主要為選取特定工作點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試分析并進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。文章從整個(gè)工況的角度評(píng)估電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體效率，并以已上市的某純電動(dòng)車(chē)型為例，基于NEDC 典型工況對(duì)電機(jī)系統(tǒng)工作區(qū)間及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行仿真分析，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在各工況區(qū)間的工作效率進(jìn)行定量分析，進(jìn)而評(píng)估電機(jī)高效區(qū)間及可優(yōu)化工作點(diǎn)，為電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化指明了方向，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能參數(shù)采集

整車(chē)及電機(jī)系統(tǒng)性能參數(shù)來(lái)源為《車(chē)輛公告及備案參數(shù)表》，文章以某純電動(dòng)車(chē)型為研究對(duì)象，其基本技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 某車(chē)型整車(chē)技術(shù)參數(shù)表

1.2 電機(jī)系統(tǒng)效率MAP圖數(shù)據(jù)采集

通過(guò)測(cè)試可得到電機(jī)及其控制器的系統(tǒng)效率MAP圖[4]。某車(chē)型在電動(dòng)和饋電模式下的系統(tǒng)效率，如圖1所示。其中，電機(jī)系統(tǒng)的峰值效率約為93%，峰值效率位于轉(zhuǎn)速為5 000 r/min、轉(zhuǎn)矩為65 N·m 的附近區(qū)域。由圖1可知，電動(dòng)模式下，電機(jī)系統(tǒng)工作效率大于90%時(shí)，其轉(zhuǎn)速為 2 033～8 600 r/min，轉(zhuǎn)矩為 14～170 N·m。電動(dòng)狀態(tài)和饋電狀態(tài)基本上呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)趨勢(shì)。但是，饋電模式的最高效率為92.5%，峰值效率位于轉(zhuǎn)矩為60 N·m，轉(zhuǎn)速為6 000 r/min 的附近區(qū)域。饋電模式下，當(dāng)電機(jī)系統(tǒng)工作效率大于90%時(shí)，其轉(zhuǎn)速為2 392～8 816 r/min，轉(zhuǎn)矩為 20～159 N·m。

圖1 純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)在電動(dòng)及饋電模式下的系統(tǒng)效率MAP 顯示界面

2 整車(chē)與電機(jī)的匹配分析

2.1 整車(chē)動(dòng)力性分析

根據(jù)整車(chē)的性能參數(shù)，進(jìn)行某純電動(dòng)車(chē)型動(dòng)力性能仿真分析[5]，0～100 km 加速的速度-時(shí)間曲線(xiàn)，如圖2所示；轉(zhuǎn)矩-時(shí)間曲線(xiàn)，如圖3所示。

圖2 某車(chē)型0～100 km 加速的速度-時(shí)間曲線(xiàn)圖

圖3 某車(chē)型0~100 km 加速的轉(zhuǎn)矩-時(shí)間曲線(xiàn)圖

當(dāng)車(chē)速低于43.7 km/h 時(shí)，其加速性能受到電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩的限制，當(dāng)速度超過(guò)43.7 km/h 時(shí)，其加速性能受到電機(jī)峰值功率的限制。汽車(chē)的最大爬坡度受到峰值轉(zhuǎn)矩的限制，如圖4所示。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，當(dāng)汽車(chē)以15 km/h 的速度行駛時(shí)，能通過(guò)的最大坡度約為24°。

圖4 某車(chē)型最大爬坡度曲線(xiàn)圖

2.2 整車(chē)在NEDC工況下的工作區(qū)間分析

根據(jù)該車(chē)型的整車(chē)參數(shù)，可以計(jì)算其在NEDC 工況中每個(gè)速度下的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，如圖5所示。其中，電機(jī)在電動(dòng)和饋電模式下，各個(gè)工作區(qū)間所占的時(shí)間權(quán)重分開(kāi)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

圖5 某車(chē)型電機(jī)在NEDC 工況下的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩分布曲線(xiàn)圖

表2 某車(chē)型電機(jī)在NEDC 工況下各區(qū)間工作參數(shù)表

由表2可知，在NEDC 工況的電動(dòng)模式下，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在車(chē)速為0～15 km/h 的加速階段，轉(zhuǎn)矩約為76.4 N·m；電機(jī)的最大功率出現(xiàn)在車(chē)速為100～120 km/h 的加速階段，輸出功率約為43 kW。發(fā)電模式下，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為85.5 N·m，出現(xiàn)在車(chē)速為50～0 km/h 的減速階段。

2.3 NEDC工況下工作功率分析

選定電機(jī)系統(tǒng)的最高效率為93%，根據(jù)整車(chē)在NEDC工況下的工作區(qū)間，計(jì)算電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在NEDC工況下電動(dòng)模式的整體效率為85.96%，饋電模式的整體效率約為85.80%。在NEDC 工況下各個(gè)工作區(qū)間所消耗功率比例的計(jì)算，如式（1）所示。

式中：Di——工作區(qū)間i 在NEDC 工況下所消耗功率所占的比例；

ni——工作區(qū)間i 的數(shù)量；

nj——工作區(qū)間j 的數(shù)量；

Pi——工作區(qū)間i 所消耗的功率，kW；

Pj——工作區(qū)間j 所消耗的功率，kW；

n——NEDC 工況的所有工作區(qū)間的數(shù)量總和。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在NEDC 工況下，各個(gè)工作區(qū)間的功率分布，如圖6所示。各工作區(qū)間功率數(shù)據(jù)，如表3所示。

圖6 某車(chē)型電機(jī)在NEDC 工況下各工作區(qū)間的功率分布顯示界面

表3 某車(chē)型電機(jī)在NEDC 工況下各工作區(qū)間功率數(shù)據(jù)表

3 電機(jī)系統(tǒng)效率優(yōu)化分析

根據(jù)表3中每個(gè)區(qū)間的車(chē)速功率占比和相應(yīng)的效率，可以計(jì)算出其相應(yīng)的功率損耗，如式（2）所示。

根據(jù)表3中功率損耗的計(jì)算結(jié)果，可以基于電機(jī)效率MAP 圖，評(píng)估出需進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化的工作區(qū)域。

1）等速行駛工作區(qū)間。功率損耗比較大的速度點(diǎn)為50 km/h 和70 km/h。因此，這2 個(gè)工作點(diǎn)的效率有待優(yōu)化。

2）加速行駛工作區(qū)間。加速行駛時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為50 N·m 的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，能量損耗較大，電機(jī)系統(tǒng)效率優(yōu)化潛力明顯。

3）減速行駛工作區(qū)間。從圖6可知，電機(jī)在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)的功率損耗嚴(yán)重區(qū)間也集中在轉(zhuǎn)矩為50 N·m 的附近區(qū)域。但是，汽車(chē)減速行駛時(shí)，除了電機(jī)的再生制動(dòng)力矩外，液力系統(tǒng)的摩擦制動(dòng)力也起作用，因此，無(wú)法根據(jù)電機(jī)MAP 圖提供優(yōu)化建議。另外，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)效率和制動(dòng)效率基本上呈對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，而NEDC 工況中的再生制動(dòng)回收能量約占總耗能的25%，因此，電機(jī)系統(tǒng)效率優(yōu)化的主要目標(biāo)為車(chē)輛等速和加速行駛工況下的電機(jī)工作區(qū)間。

4 結(jié)論

文章基于某典型純電動(dòng)車(chē)型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)，建立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能分析模型，結(jié)合該車(chē)在NEDC 工況下的運(yùn)行情況，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作效率及優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行了量化分析。分析結(jié)果顯示，該車(chē)在NEDC 工況下，等速行駛車(chē)速為50 km/h 和70 km/h 的2 個(gè)工況點(diǎn)有較大的優(yōu)化空間；加速行駛時(shí)，效率有待提高的工作區(qū)間主要為電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩為50 N·m 的附近區(qū)域。文章基于實(shí)際工況的電機(jī)效率分析，為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能匹配優(yōu)化提供了客觀(guān)的數(shù)據(jù)依據(jù)，對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)化和產(chǎn)品升級(jí)具有重要的指導(dǎo)意義。