純電動轎車傳動系統(tǒng)匹配對能耗的影響

劉德興，葉磊，張濤，彭沖

純電動轎車傳動系統(tǒng)匹配對能耗的影響

劉德興1,2，葉磊1,2，張濤1,2，彭沖1,2

（1.招商局檢測車輛技術研究院有限公司 國家客車質量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122；2.電動汽車安全評價重慶市工業(yè)和信息化重點實驗室，重慶 401122）

文章以北汽E150EV純電動轎車為研究對象，首先在Matlab中建立車輛模型，并利用實車數據對模型進行標定和驗證，然后結合實際運行工況，通過仿真分析單減速比和兩擋變速器傳動系統(tǒng)對車輛能耗的影響。

純電動轎車；傳動系統(tǒng)；匹配；效率；能耗；仿真

前言

純電動轎車的驅動形式有：單電機單傳動比、單電機兩擋變速器以及四輪獨立驅動等。目前大多數純電動轎車采用單電機單傳動比驅動形式，主要是因為電機的調速范圍寬，低速轉矩大，能夠滿足車輛動力性要求，而去掉變速器可以節(jié)省成本，減輕車輛重量。

對于單電機單傳動比驅動形式，在選擇減速比時需要兼顧車輛起步加速性能和最高車速。傳動比不同還會導致電機的工作區(qū)域發(fā)生變化，從而導致系統(tǒng)效率不同。傳統(tǒng)的傳動比設計方法主要考慮動力性和最高車速[1-4]，有的基于工況進行傳動比設計[5-6]。

如果純電動轎車使用兩擋變速器，會增加系統(tǒng)復雜程度，但是可以使電機更多地工作在高效率區(qū)域，并且可以減小電機功率和尺寸。本文將定量分析兩擋變速器對車輛能耗的影響。

1 仿真建模

首先在Matlab/Simulink環(huán)境下建立E150EV電動車模型，并進行0 km/h～50 km/h、0 km/h～100 km/h直線加速仿真，并利用實車數據對模型進行標定和驗證。純電動汽車的驅動系統(tǒng)結構如圖1所示，電機通過主減速器直接驅動差速器。整車模型結構如圖2所示，模型包括電機模型、電池組模型、傳動系統(tǒng)模型以及車輛動力學模型。

圖1 純電動轎車驅動系統(tǒng)示意圖

圖2 車輛仿真模型

1.1 電機模型

電機模型主要考慮電機的轉矩外特性和電機工作效率。仿真過程中，根據車輛運行工況計算出需要的電機轉矩，如果電機在當前轉速下能達到需求轉矩，則輸出需求轉矩，否則輸出電機的最大轉矩。

式中，m,req是需求的電機轉矩；m,dis和m,chg分別是電機驅動狀態(tài)下的最大輸出轉矩和發(fā)電狀態(tài)下的最大輸入轉矩；m和m分別是電機的轉速和轉矩。

圖3為電機的效率圖，包括驅動效率和發(fā)電效率，其中驅動效率為電機輸出動力時的效率，發(fā)電效率為電機處于發(fā)電狀態(tài)時的效率。

圖3 電機效率圖

1.2 電池組模型

電池組采用圖4所示的內阻模型，忽略溫度對電池的影響，該模型電池組SOC狀態(tài)方程為[7]：

VOC是電池組的開路電壓，Rint為內阻，這兩個參數是SOC的函數。Qb是電池組的電容量，Rt是電池組的端電阻。

1.3 車輛動力學模型

車輛動力學模型簡化為單質量點縱向動力學模型[1]：為車速，0是車重，包括汽車整備質量以及載重，r=0+r/w2為車輛等效慣性質量，r為車輪、電機以及傳動軸等旋轉件的轉動慣量，w為車輪半徑。d、f、w分別為驅動力、滾動阻力和風阻，本文不考慮坡度。是仿真時間步長。

2 仿真計算與模型標定驗證

車輛數學模型建好以后，需要根據實車數據對模型參數進行標定校準，主要包括車輛動力性和能耗計算兩方面，使模型仿真結果能正確反映車輛實際運行狀況。對于動力性，已知E150EV電動車0 km/h～50 km/h和0 km/h～100 km/h的直線加速時間，參照此數據對兩個車輛模型的參數進行微調，使其與實車數據吻合。

對于能量消耗，選取北京市郊縣電動出租車實際運行工況對E150EV轎車進行校準和驗證。

2.1 直線加速仿真

表1列出了加速時間的仿真與實測數據，兩值基本吻合。

表1 模型仿真直駛加速時間

項目0 km/h～50 km/h加速時間/s0 km/h～100 km/h加速時間/s 仿真結果6.820.9 實測結果6.821

2.2 北京市郊縣出租車實際工況

圖5列出了4輛北京市示范運行純電動出租車一天24小時的運行數據，這4輛車包含3種車型，包含2輛電池電量為21 kWh的北汽E150EV、1輛電池電量為24 kWh的長安E30和1輛電池電量為24.8 kWh的現代首旺500E，且4輛車分布在不同區(qū)域。行駛里程約在150 km～230 km之間，電耗約在29 kWh～32 kWh之間。換算為百公里電耗，如表2所示。通過數據可以看到，北京市郊縣出租車運行工況比較一致，最高車速基本不超過80 km/h。

表2 北京市電動出租車運行數據

房山E30平谷E150EV平谷500E密云E150EV 百公里電耗/(kWh/100 km)13.9614.5021.3815.84

圖5 北京市電動車運行工況

選取第二組數據平谷區(qū)北汽E150EV工況中16:30至17:30為仿真工況，時間7 622 s，平均車速28.7 km/h，最高車速80 km/h，里程58.1 km。實車數據顯示，SOC由91.6%（19.2 kWh）降到53.6%（11.2 kWh），過程耗電8.0 kWh，百公里耗電13.8 kWh。

2.3 標定驗證

以起始SOC 91.6%開始仿真，并根據仿真結果對模型系統(tǒng)效率參數進行調整標定，使模型與實際情況相符。最終仿真結果如圖6所示：SOC從91.6%降到53.7%，驅動耗電9.73 kWh，回收1.8 kWh，占總耗電18.5%，合計耗電7.93 kWh。電機工作點如圖3所示。

圖6 北京市郊縣運行工況

為了驗證模型的適應性，選取同一輛車當天上午的一段工況進行驗證，如圖7所示。工況為3 010 s，里程19.3 km，平均時速23.1 km/h。實車SOC由69.2%降到56.8%，仿真結果SOC降到56.3%，誤差1%。說明標定后的模型計算的能耗與實車相符。

圖7 模型驗證

用標定好的模型分別運行NEDC工況和如圖6所示的北京郊縣工況，得到NEDC工況和北京郊縣工況百公里能耗數據分別為17.20 kWh/100 km和13.77 kWh/100 km。

本節(jié)利用E150EV車輛模型進行了直駛加速仿真和工況仿真，并利用實車數據對模型參數進行了標定。仿真結果表明，該模型無論在動力性還是電能消耗計算方面，都與實車數據吻合。

3 單減速比對能耗的影響

由圖3電機效率圖可知，一般8 000 r/min的高速電機，最高效率區(qū)域大約在4 000 r/min的中高轉矩區(qū)域。如果以提高系統(tǒng)效率為目標，則希望電機的工作點盡量多地分布在高效率區(qū)域。由電機工作點分布圖可知，電機的高效率區(qū)域沒有得到充分利用。直觀地看，如果增加減速比，使電機工作點向右移動，有可能會提高系統(tǒng)效率，減少能耗。本節(jié)將嘗試不同的減速比，觀察其對能耗的影響。

圖8 減速比對能耗的影響

圖9 E150EV功率和轉速統(tǒng)計分析

本次仿真把NEDC工況的最高車速限制在80 km/h以內，里程變?yōu)?0.4 km，以保證在大范圍變化減速比動力性仍然能滿足工況要求。圖8顯示了E150EV在兩種工況下主減速比與能耗的關系，軸畫出了各減速比下的能耗相對于最低能耗的額外能量消耗率。從圖中數據可知，雖然減速比與能耗有一定關系，但是減速比在最佳值附近變化，對能耗的影響很小。而且E150EV原車減速比對于北京市郊縣工況就位于最佳點上，增加減速比雖然使電機工作點向高效率轉速區(qū)域移動，但是增加轉速的同時降低了轉矩，導致效率下降。

表3 單減速比最低能耗數據

車型NEDC工況北京郊縣工況 北汽E150EV/(kWh/100 km)14.4913.64

圖9統(tǒng)計了E150EV在兩種工況下的功率和電機轉速分布，發(fā)現需求功率集中在20 kW以內，超過30 kW的功率很少。從電機效率圖可知，高效率區(qū)域的電機功率大約在35 kW～45 kW之間，所以通過調整減速比很難把電機的工作點調整到高效率區(qū)域。如果要提高效率，唯一的辦法是降低電機功率，使高效率區(qū)域功率降低到20 kW左右。但是降低了電機功率，車輛的動力性會變差，必須增加變速器來保證動力性。

4 兩擋變速器對能耗的影響

根據圖9的功率統(tǒng)計，北京市郊縣工況需要的功率基本在30 kW以內，本節(jié)把E150EV的電機最大功率降到35 kW，匹配兩擋變速器，通過仿真分析電機工作區(qū)間以及能耗。

圖10 E150EV匹配兩擋變速器電機工作點

圖10為E150EV匹配兩擋變速器的仿真結果，1擋傳動比為16，2擋傳動比為8。1擋大減速比使電機的工作點移動到高效率區(qū)域，并且起步加速動力性好。2擋功率較大，充分利用了電機的高效率區(qū)域，最終能耗為7.65 kWh，合計百公里耗電13.18 kWh。比單減速比最小電耗節(jié)省3.4%電能。

5 結論

本文通過對E150EV電動車進行仿真，以研究其傳動系統(tǒng)匹配對電機工作區(qū)域和能耗的影響。首先通過實驗數據對仿真模型進行標定和驗證，確保動力性和能耗計算準確。然后定量分析了單減速比傳動系統(tǒng)和兩擋變速器傳動系統(tǒng)對車輛能耗的影響。發(fā)現通過減小電機功率，并匹配變速器，可以在一定程度上優(yōu)化電機的工作區(qū)間，并減少能耗。

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The Influence of Transmission System on Energy Consumption for Pure Electric Car

LIU Dexing1,2, YE Lei1,2, ZHANG Tao1,2, PENG Chong1,2

( 1.China Merchants Testing Certification Vehicle Technology Research Institute Co., Ltd., National Bus Quality Supervision & Inspection Center, Chongqing 401122; 2.Key Laboratory of Chongqing Ministry of Industry and Information Technology for Electric Vehicle Safety Evaluation, Chongqing 401122 )

This paper will do research on the influence of transmission system on energy consumption for pure electric vehicle. Taking BAIC E150EV as research object.Firstly build the model in Matlab and do calibration and validation for the model based on test data. Then use a real driving cycle to simulate the vehicle with different transmission systems: one-gear transmission system and two-gear transmission system, and analyse the energy consumption.

Electric vehicle; Transmission system; Matching; Efficiency; Energy consumption; Simulation

U461.8；U469.72

A

1671-7988(2021)22-01-04

劉德興（1991—），男，碩士，工程師，就職于招商局檢測車輛技術研究院有限公司，國家客車質量監(jiān)督檢驗中心，主要從事新能源汽車整車檢測及研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.001

CLC NO.: U461.8; U469.72

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1671-7988(2021)22-01-04