純電動多功能商務(wù)車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與優(yōu)化

夏靖武，潘世林，陳 林，梅周盛，周 斌

(漢騰汽車有限公司，江西 上饒 334100)

通過仿真分析來進(jìn)行電動汽車動力系統(tǒng)的匹配與優(yōu)化，是電動汽車研發(fā)中的一個重要途徑[1-3]。在有限的布置空間里匹配動力總成參數(shù)，是純電動多功能商務(wù)車(MPV)研發(fā)亟需解決的重要問題?，F(xiàn)有方法大多借助CRUISE軟件、基于NEDC工況對純電動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MPV的整車仿真模型，基于最新的中國輕型汽車行駛工況(CLTC)進(jìn)行仿真分析，提出其動力系統(tǒng)參數(shù)的匹配與優(yōu)化方案。

1 整車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

1.1 整車主要參數(shù)與性能目標(biāo)

研究車型依托于傳統(tǒng)燃油MPV進(jìn)行動力系統(tǒng)改造，其長×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，滾動阻力系數(shù)f為0.009 5，車輪滾動半徑r為327 mm，傳動效率ηt為0.9。

整車動力系統(tǒng)應(yīng)滿足動力性和經(jīng)濟性的要求。動力性可用3個指標(biāo)評價：最高車速、加速性能和最大爬坡度[6]；經(jīng)濟性可用續(xù)駛里程和能量消耗率評價。主要性能設(shè)計目標(biāo)如下：30 min最高車速≥130 km/h，0～50 km/h加速時間≤6 s，50～80 km/h加速時間≤5 s，0～100 km/h加速時間≤12 s，最大爬坡度(爬坡車速不低于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 運算方法

1.3 電機參數(shù)匹配與選型

所選擇的驅(qū)動電機參數(shù)的動力性應(yīng)滿足GB/T 18385—2005的要求[8]。電機功率越大，車輛動力性越好，但電機的體積、重量和成本也會相應(yīng)增加[9]。根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)對比可知，永磁同步電機的綜合性能最優(yōu)，在高速電動汽車上的應(yīng)用最廣泛，本文選擇永磁同步電機。

1.3.1 電機功率的計算與匹配

根據(jù)《汽車?yán)碚摗分衅嚬β势胶夥匠淌絒10]：

1) 計算最高車速功率需求。電動汽車以最高車速行駛時，主要受到來自車輪的滾動阻力和整車的空氣阻力，加速阻力和坡度阻力視為零，則車輛30 min最高車速時的電機功率需求Pv應(yīng)滿足：

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

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

2) 計算最大爬坡度功率需求。電動汽車在最大爬坡度工況時，主要受到來自車輪的滾動阻力、整車的坡度阻力和空氣阻力，加速阻力視為零，則最大爬坡度時的電機功率需求Pi應(yīng)滿足：

式中：m2為車輛滿載最大總質(zhì)量，kg；αmax為最大爬坡度對應(yīng)的角度；Vi為爬坡車速，根據(jù)經(jīng)驗取15 km/h。代入相關(guān)數(shù)值得Pi≥ 23.5 kW。

3) 計算加速時間功率需求。電動汽車加速時，主要受到來自車輪的滾動阻力、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加速時的電機功率需求Pa應(yīng)滿足：

式中：tj為車輛0～100 km/h加速時間，s；Vj為加速結(jié)束時的車速，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。電動汽車電機峰值功率應(yīng)同時滿足上面3個要求，即不小于三者的最大值[11]。MPV滿載可坐7人，滿載質(zhì)量比法規(guī)要求的加速性能測試加載質(zhì)量重了約260 kg(7×75/2=262.5 kg)，為了使純電動MPV在滿載時也具有更佳的加速性能，電機峰值功率應(yīng)在滿足上述要求的基礎(chǔ)上增加一定的冗余量ε，因此：

Pp≥(1+ε)·max(Pv，Pi，Pa)

取ε=[10%，20%]，計算得出電機峰值功率Pp=[113.5，123.8]kW。

5) 額定功率的確定。電動汽車電機額定功率Pr的選取，首先應(yīng)滿足車輛以30 min最高車速行駛的功率需求，即Pr≥Pv。其次，電機峰值功率Pp與額定功率Pr的比值(稱為電機的過載系數(shù)λ，即λ=Pp/Pr)通常不超過2.5。取過載系數(shù)λ=[2，2.5]，峰值功率Pp=[113.5，123.8]kW，可算出電機額定功率Pr=[45.4，61.9]kW。

1.3.2 電機轉(zhuǎn)速的匹配與選型

1) 最高車速。電機最高轉(zhuǎn)速越高，電動汽車可以獲得的車速越高，而且電機轉(zhuǎn)速提高以后，相同的最高車速可以選擇更大的減速比，從而可以增大電動汽車的驅(qū)動扭矩，獲得更好的加速性能。但最高轉(zhuǎn)速nmax超過10 000 r/min的高速電機對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)電動汽車的驅(qū)動電機大多選擇nmax在10 000 r/min以內(nèi)的中速電機。本文車型電機最高轉(zhuǎn)速nmax擬選擇市場上較為常用的9 000 r/min。

2) 額定轉(zhuǎn)速。電機的額定轉(zhuǎn)速nr，也稱為電機的基速，是由電機的勵磁繞組決定的。相同功率的電機，基速越小，峰值扭矩就越大，電動汽車的起步加速性能就越好。不過基速小的電機，若要達(dá)到同樣的最高轉(zhuǎn)速，需要通過更大程度的弱磁來實現(xiàn)，而弱磁會損失電能、降低電機的效率。基速比β為電機最高轉(zhuǎn)速nmax與額定轉(zhuǎn)速nr之比，行業(yè)內(nèi)通常選擇電機基速比β在2～3之間。本文取β=[2，2.5]，計算可得電機額定轉(zhuǎn)速nr=[3 600，4 500]r/min。

1.3.3 電機扭矩的計算與匹配

電機在轉(zhuǎn)速小于基速時是恒轉(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汽車的最大爬坡度和起步加速性能。

根據(jù)電機峰值功率、基速、峰值扭矩關(guān)系式及電機的恒扭矩恒功率特性，電機峰值扭矩應(yīng)滿足：

Tp=9 550βPp/nmax

代入β=[2，2.5]、Pp=[113.5，123.8]kW，計算可得電機峰值扭矩Tp=[241，328]Nm。

電機額定扭矩主要影響電動汽車持續(xù)爬坡性能，其計算公式為：

Tr=9 550Pr/nr

代入Pr=[45.4，61.9]kW、nr=[3 600，4 500]r/min，計算可得電機額定扭矩Tr=[96，164]Nm。通過以上分析，結(jié)合市場上電動汽車驅(qū)動電機產(chǎn)品資源，初步確定電機參數(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汽車的續(xù)駛里程，其放電功率間接影響電動汽車的動力性。本車型選擇在小型客車和乘用車上應(yīng)用更加普遍的三元鋰離子動力電池，擬選定的單體電池的標(biāo)稱電壓U0為3.65 V，標(biāo)稱容量C0為180 Ah。根據(jù)電動汽車高壓系統(tǒng)電壓等級標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31466—2015[12]要求，電池包標(biāo)稱電壓Ub最常用等級為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]。電動汽車最大續(xù)駛里程對應(yīng)的電池放電窗口選取為100%→10%,即放電深度ξ為90%。車輛續(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)稱容量Ah;nP為單體并聯(lián)數(shù).

根據(jù)經(jīng)驗，該類車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)可計算出Qb1=[53.3，66.7]kWh。由式(2)計算得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。參考競品車型參數(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)最終計算可得Qb2=60.4 kWh，因此電池主要參數(shù)全部擬定如下：單體標(biāo)稱電壓U0為3.65 V，單體標(biāo)稱容量C0為180 Ah，電池包標(biāo)稱電壓Ub為335.8 V，電池包標(biāo)稱容量Cb為180 Ah，電池組串并形式為1并92串，電池包標(biāo)稱總電量Qb為60.4 kWh。

1.5 主減速比匹配

主減速比的選擇，首先應(yīng)滿足最高車速130 km/h的需求，即：

i0≤0.377nmaxr/Vmax

其次，應(yīng)滿足最大爬坡度的需求，即：

i0≥r(mgf·cosαmax+mg·sinαmax)/Tpηt

通過上兩式，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，采用單級減速器就可以滿足需求，單級減速器還具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低的優(yōu)點。

2 仿真分析及優(yōu)化

2.1 整車仿真模型的搭建

為了驗證純電動MPV參數(shù)的合理性，減小項目開發(fā)風(fēng)險，對整車進(jìn)行動力性、經(jīng)濟性的仿真分析。根據(jù)電動汽車性能測試的最新標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18386—2017[13]、GB/T 38146.1—2019[14]的規(guī)定,運用最新的CLTC中國工況法測試規(guī)程。在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建一整套電動汽車整車仿真模型，其頂層模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 純電動汽車頂層仿真模型

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

圖2 CLTC工況車速跟隨曲線圖

2.2 整車仿真結(jié)果分析

輸入研究車型整車及動力總成零部件參數(shù)，在純電動汽車仿真模型中對研究車型的最高車速、加速時間、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，其中加速仿真曲線與CLTC續(xù)駛里程仿真曲線如圖3所示，仿真結(jié)果見表1。

(a) 加速仿真曲線

(b) CLTC續(xù)駛里程仿真曲線

表1 整車性能仿真結(jié)果

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

2.3 動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

1) 優(yōu)化主減速比。因仿真得出最高車速超目標(biāo)值較大，而0～100 km/h加速時間稍長于目標(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)果對比見表2。

表2 3組主減速比仿真結(jié)果對比

主減速比選8.07時，加速性能仍然不達(dá)標(biāo)。選8.51時，最高車速剛剛達(dá)標(biāo)，風(fēng)險較大。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阻力，而且這些措施對動力性、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)稱電量提升到65.7 kWh，電池包標(biāo)稱電壓365 V。另外，擬將研究車型風(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。再次通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，CLTC工況續(xù)駛里程可達(dá)410 km，研究車型純電動MPV所有性能目標(biāo)全部達(dá)成。

3 結(jié)束語

電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與優(yōu)化是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，以某型純電動多功能商務(wù)車(MPV)為研究對象，對其電機、電池、主減速器等關(guān)鍵動力系統(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工況的整車仿真模型，對研究車型進(jìn)行了有效的性能仿真分析，并提出了改進(jìn)方案，為項目開發(fā)提供了必要的理論依據(jù)。