純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型及仿真研究

張志強(qiáng)，翟克寧，李 強(qiáng)，韋杰宏，黃 真，覃胤和

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

1 概述

純電動(dòng)汽車憑借著零排放和低使用成本等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為廣受市場(chǎng)青睞和高速發(fā)展的汽車產(chǎn)品。從2008年至今，我國純電動(dòng)汽車年車型數(shù)量從不足10款，增長至超過1500款[1]；我國純電動(dòng)汽車年銷量從不足500輛，至今已經(jīng)突破80萬輛。同時(shí)伴隨自動(dòng)駕駛和共享移動(dòng)出行服務(wù)等增值功能及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，全球純電動(dòng)汽車年銷量預(yù)計(jì)在2040年將超過3000 萬輛[2]。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為純電動(dòng)汽車的核心“三大電”之一，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率等對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能及純電續(xù)航里程有著至關(guān)重要的影響，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率大于90%的工作區(qū)域等研發(fā)工作逐漸成為了純電動(dòng)汽車技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)[3]。

為此本文首先結(jié)合某款純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵性能指標(biāo)要求，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做初步選型計(jì)算；然后搭建純電動(dòng)汽車仿真平臺(tái)，結(jié)合兩個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案，開展純電動(dòng)汽車動(dòng)力性和純電續(xù)航里程等關(guān)鍵性能仿真計(jì)算；最后提出基于NEDC工況需求的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率評(píng)價(jià)方法，對(duì)比分析該兩個(gè)方案的優(yōu)劣勢(shì)，闡明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)純電續(xù)航里程性能的影響。

2 純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型計(jì)算

某款純電動(dòng)汽車基礎(chǔ)參數(shù)和關(guān)鍵性能指標(biāo)如表1所示。為了滿足該電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能需求，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選型必須綜合考慮以下三個(gè)動(dòng)力性需求：最高車速需求的功率、最大爬坡度需求的功率和百公里加速時(shí)間需求的功率。

表1 某純電動(dòng)汽車基礎(chǔ)參數(shù)和關(guān)鍵性能指標(biāo)

（1）最高車速需求的功率

最高車速需求的功率計(jì)算如下[4]：

其中：m為汽車質(zhì)量；g為重力加速度；f為汽車滾動(dòng)阻力系數(shù)；vmax為最高車速；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ηT為傳動(dòng)效率。

（2）最大爬坡度需求的功率

最大爬坡度需求的功率計(jì)算如下[5]：

其中：α為爬坡度；va為坡道車速。

（3）百公里加速時(shí)間需求的功率

百公里加速時(shí)間需求的功率計(jì)算如下：

其中：t為0～100 km/h加速時(shí)間；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；va為最終加速后的車速。

為同時(shí)滿足最高車速、最大爬坡度和百公里加速時(shí)間等動(dòng)力性需求，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率需大于P1、P2和P3中的最大值，即驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率需大于69 kW。

3 純電動(dòng)汽車仿真平臺(tái)

為進(jìn)一步評(píng)估驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)純電動(dòng)汽車相關(guān)性能指標(biāo)的達(dá)成情況，本文首先搭建了純電動(dòng)汽車仿真平臺(tái)，如圖1所示，按照純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方式，將純電動(dòng)汽車基礎(chǔ)參數(shù)輸入到相應(yīng)仿真模塊中。

圖1 純電動(dòng)汽車仿真平臺(tái)

結(jié)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率大于69 kW需求，本文初選了兩個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案，其外特性對(duì)比如圖2所示。

圖2 方案1和2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外特性曲線

方案1峰值扭矩達(dá)170 N·m，峰值功率為70 kW。該方案的萬有特性，即系統(tǒng)效率分布如圖3所示，該方案效率大于90%的工作區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)速區(qū)間3 000 r/min～11 000 r/min，扭矩區(qū)間為6 N·m ～160 N·m。

圖3 方案1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)萬有特性

方案2峰值扭矩達(dá)270 N·m，峰值功率為120 kW。該方案的系統(tǒng)萬有特性，即系統(tǒng)效率分布如圖4所示，該方案效率大于90%的工作區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)速區(qū)間3 000 r/min～ 14 000 r/min，扭矩區(qū)間為9 N·m～ 207 N·m。

圖4 方案2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)萬有特性

4 仿真結(jié)果分析

方案1和方案2對(duì)應(yīng)的純電動(dòng)汽車關(guān)鍵性能仿真結(jié)果如表2所示。方案1和方案2均達(dá)成純電動(dòng)汽車動(dòng)力性和純電續(xù)航里程目標(biāo)。受限于方案1的功率和扭矩比方案2小，方案1的動(dòng)力性比方案2略差。

表2 方案1和2仿真性能匯總

從圖3和圖4對(duì)比可知方案1和方案2的效率特性是不相同的，方案1中效率大于90%的區(qū)域更為寬廣。但是單憑該區(qū)域的大小并無法量化評(píng)估哪個(gè)方案下的純電續(xù)航里程的性能更優(yōu)。為此本文提出基于工況需求的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率評(píng)價(jià)方法，具體如下：1、首先針對(duì)續(xù)航里程工況（NEDC），對(duì)仿真過程中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作的轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)，將高頻出現(xiàn)的工況進(jìn)行匯總；2、將高頻工況對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率大于90%的工況占比越多，則說明該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在NEDC工況下工作表現(xiàn)越優(yōu)，純電續(xù)航里程越長。

表3和表4分別給出了方案1和方案2在NEDC工況下，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高頻工況點(diǎn)匯總。這10個(gè)高頻工況點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間總和占整個(gè)NEDC工況時(shí)間的92%以上，這說明該10個(gè)高頻工況下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率表現(xiàn)是能夠反映其在NEDC工況下的性能表現(xiàn)。

表3 方案1高頻工況匯總

表4 方案2高頻工況匯總

將方案1和方案2的高頻工況點(diǎn)繪制到萬有特性圖中，分別如圖5和圖6所示。圖中圈的大小表征對(duì)應(yīng)工況占比，圈的中心表征對(duì)應(yīng)工況轉(zhuǎn)速和扭矩。從高頻工況點(diǎn)的分布可知，方案1的高頻工況比方案2更多的分布在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率較高的區(qū)域。

圖5 方案1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高頻工況點(diǎn)

圖6 方案2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高頻工況點(diǎn)

為進(jìn)一步量化這兩個(gè)方案的效率表現(xiàn)，將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率大于80%、90%和93%的工況占比進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，如表5所示。方案1的效率大于80%、90%和93%的工況占比方案2要更大，這也能夠量化說明在NEDC工況下，方案1的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作效率比方案更優(yōu)，這也是方案1的純電續(xù)航里程性能比方案2更優(yōu)的原因。

表5 不同效率下的高頻工況占比匯總

5 結(jié)論

（1）純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型必需同時(shí)滿足最高車速、最大爬坡度和百公里加速時(shí)間等動(dòng)力性能及功率要求。

（2）基于工況需求的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率評(píng)價(jià)方法，可以有效地評(píng)估驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)純電續(xù)航里程性能的影響。