純電動乘用車關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計研究及分析驗證

陸 訓(xùn)，戴鵬程，王丹青，陶 娟

（奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）

1 前言

能源與環(huán)境危機的日益加重，電動汽車越來越多地被認(rèn)為是解決目前污染排放和能源合理利用的有效方案，純電動汽車由于具有高效、無污染等優(yōu)點，成為各汽車制造商的研究重點，如何從系統(tǒng)匹配的角度出發(fā)，合理選擇驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件及其有效參數(shù)，并使其匹配效果達(dá)到最優(yōu)，對改善整車能耗，提升整車能量管理水平有很大影響。

近年來，國內(nèi)外許多主機廠及學(xué)者對驅(qū)動系統(tǒng)選型匹配及性能仿真做了大量研究，利用理論分析和仿真等手段，對驅(qū)動電機進行選型，石飛飛等基于整車性能目標(biāo)，分別開展驅(qū)動電機的性能匹配及仿真分析，但多數(shù)僅為理論分析和仿真模擬，未充分開展關(guān)鍵系統(tǒng)的策略選型、架構(gòu)分析及試驗論證；陳宏等雖然有相關(guān)的試驗測試，但多數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)的NEDC工況，與真實的道路條件相差較多，目前最新國標(biāo)制定更加接近用戶真實駕駛行為的中國工況鮮有仿真設(shè)計研究與試驗分析論證。

基于上述分析，本文主要針對目前比較普及的純電動乘用轎車作為研究目標(biāo)，首先對純電動乘用車主要的系統(tǒng)框架構(gòu)型設(shè)計，開發(fā)相應(yīng)的整車控制系統(tǒng)，并設(shè)計串聯(lián)協(xié)調(diào)制動的電液制動IBS系統(tǒng)，充分利用車輪及路面附著，提升整車制動效率及車輛穩(wěn)定性能。在關(guān)鍵系統(tǒng)零部件選型計算及設(shè)計上，采用整車車輛動力學(xué)運動方程及利用MATLAB、AMEsim等仿真軟件確定驅(qū)動電機及動力電池相關(guān)主要參數(shù)并仿真分析，最后通過對標(biāo)試驗測試結(jié)果的方法，驗證車輛關(guān)鍵系統(tǒng)選型滿足整車性能指標(biāo)要求。

2 純電動汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計分析

2.1 純電動汽車結(jié)構(gòu)原理

傳動汽車是由內(nèi)燃機驅(qū)動，而純電動汽車（EV）是通過動力電池儲能系統(tǒng)中的電能經(jīng)過轉(zhuǎn)化成機械能，進而驅(qū)動整車行駛。目前主流的純電動車型大多數(shù)使用的都是單電機，本文主要針對單電機驅(qū)動整車模式的兩驅(qū)車型進行分析與設(shè)計。

純電動汽車的結(jié)構(gòu)主要由電力驅(qū)動控制系統(tǒng)、汽車電、車身以及各種輔助裝置等部分組成。其中電力驅(qū)動控制系統(tǒng)決定了整車純電動汽車的結(jié)構(gòu)組成及其性能特征，是電動汽車的核心。整車電力驅(qū)動控制系統(tǒng)主要構(gòu)成及工作原理如圖1所示。

圖1 純電動汽車系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

滾動阻力：

空氣阻力：

2.2 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

基于某純電動汽車的產(chǎn)品定位以及市場需求，各主機廠確定相關(guān)的整車性能目標(biāo)，其中包含最高車速、最大爬坡度等動力性指標(biāo)以及國標(biāo)規(guī)定的綜合工況的續(xù)航里程和能量消耗率。

整車性能目標(biāo)

某純電動乘用車的設(shè)計目標(biāo)不僅要滿足城市代步需求，同時能夠滿足城郊跨區(qū)域行駛的自駕旅行，整車主要性能目標(biāo)見表1。

表1 整車性能目標(biāo)參數(shù)

驅(qū)動電機關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

汽車在道路上行駛的過程中，需要克服來自地面與輪胎相互作用產(chǎn)生的滾動阻力和來自車身和空氣接觸而產(chǎn)生的空氣阻力。當(dāng)汽車在坡道行駛時，還需克服其中立沿坡道的分力，即坡道阻力，汽車在加速行駛時，還需要克服汽車本身慣性力即加速阻力。因此，汽車行駛總阻力為：

坡道阻力：

加速阻力：

依據(jù)表2整車仿真輸入?yún)?shù)，利用MATLAB中的GUI模塊進行選型仿真分析。GUI模塊選型程序及選型結(jié)果如圖2所示。

表2 整車性能仿真輸入?yún)?shù)

圖2 GUI模塊選型程序及選型結(jié)果

針對選型結(jié)果，一般做求整處理，結(jié)果見表3，針對所選結(jié)果，對電機進行選型，其效率map如圖3所示。

圖3 驅(qū)動電機效率map

表3 驅(qū)動電機性能參數(shù)

2.3 電液助力系統(tǒng)設(shè)計

為了更好地提升整車能量管理水平，提高驅(qū)動系統(tǒng)能量回收效率，以改善能耗提升續(xù)航里程，本文制動能量回收系統(tǒng)方案采用串聯(lián)式電液助力制動系統(tǒng)，其相對并聯(lián)協(xié)調(diào)式電液助力制動系統(tǒng)不會產(chǎn)生明顯的制動感受差異。

電液助力系統(tǒng) （IBS）

電液助力系統(tǒng)（IBS）結(jié)構(gòu)上選用分體式總泵助力電子液壓式線控制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，通過蝸輪蝸桿/齒輪齒條減速增扭機構(gòu)，將助力電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為制動主缸活塞的平動，駕駛員踩踏制動踏板的反饋力由機械解耦機構(gòu)提供。系統(tǒng)主要由電機、蝸輪蝸桿－齒輪齒條減速機構(gòu)、踏板模擬器、制動主缸和中央控器等部分組成，如圖4所示。

圖4 IBS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

其中線控制動系統(tǒng)中電制動和液壓制動串聯(lián)，為解耦系統(tǒng)。IBS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)車輛啟動行駛時，當(dāng)駕駛員踩下制動踏板，車輛有制動請求時，IBS進行能量計算，計算駕駛員期望的總制動力矩發(fā)給整車VCU控制電機產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，如果駕駛員制動力矩請求小于驅(qū)動電機產(chǎn)生的制動力矩，這制動液壓不介入，如圖5所示。否則制動液壓系統(tǒng)同步開始工作，與IBS一起共同參與車輛制動作用，如圖6所示。

圖5 液壓系統(tǒng)不介入工作模式

圖6 液壓系統(tǒng)介入工作模式

電液助力系統(tǒng) （IBS）分配邏輯

在電液分配中，整車中央控制單元（VCU）主控滑行能量回收的分配，可以保證車輛在滑行階段在電池系統(tǒng)、電驅(qū)動系統(tǒng)回收能力受限的工況下，車輛也能保證駕駛感受的一致性；IBS主控制動能量回收，接收到駕駛員踩下制動踏板后，負(fù)責(zé)獲得駕駛員總制動需求，結(jié)合VCU能量回收能力及狀態(tài)，優(yōu)先使用電制動來響應(yīng)減速度請求，分配給VCU和IBS進行能量回收和液壓制動，改善整車制動損耗，分配策略如圖7所示。

圖7 電液分配策略

2.4 動力電池參數(shù)設(shè)計方法

電動汽車?yán)m(xù)航里程與整個傳動系統(tǒng)綜合傳動效率、能量回收策略、整車行駛工況以及電池性能有直接關(guān)系，需通過借助仿真手段進行性能仿真，以求達(dá)到最優(yōu)結(jié)果。本文動力電池選型手段，主要利用AMEsim一維仿真分析軟件，基于整車性能目標(biāo)、仿真輸入?yún)?shù)以及驅(qū)動電機性能參數(shù)進行性能仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果對動力電池電量進行選型設(shè)計。

整車系統(tǒng)仿真邏輯架構(gòu)

整車系統(tǒng)仿真模型簡單邏輯架構(gòu)由駕駛員模型、車輛動力學(xué)模型、電機模型、動力電池模型、整車控制單元（VCU）、附件系統(tǒng)單元組成，如圖8所示。

圖8 仿真邏輯架構(gòu)圖

整車系統(tǒng)軟件仿真模型

利用AMEsim仿真軟件針對該純電動汽車進行仿真數(shù)據(jù)校核及性能達(dá)標(biāo)分析，仿真分析模型如圖9所示。

圖9 仿真分析模型

中國工況（CLTC_P）仿真

依據(jù)GB/T 18386—2021《電動汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗方法 第1部分》規(guī)定，純電動乘用車目前循環(huán)測試工況主要為中國工況（CLTC_P），工況平均車速為28.96km/h，最高車速為114.0km/h，怠速比例為22.1%，行駛里程為14.48km。分為低、中、高速3部分，低速部分674s，中速部分693s，高速部分433s，總運行時間1800s，工況曲線如圖10所示。

圖10 CLTC_P工況曲線

3 整車仿真結(jié)果與分析

基于中國工況曲線作為整車性能仿真的輸入工況，圖11為一個完整的中國工況部分仿真結(jié)果輸出，可以看出仿真過程實際車速與目標(biāo)車速一致性保持良好，依據(jù)仿真結(jié)果，該車完全循環(huán)結(jié)束，工況里程約361.5km，滿足性能指標(biāo)設(shè)計要求，此時動力電池電量約41.5kWh。

圖11 CLTC_P工況仿真結(jié)果

基于滿足整車性能目標(biāo)的加速、爬坡及續(xù)航里程指標(biāo)的前提下，基于目前較為常用的三元鋰電池，根據(jù)仿真結(jié)果及本文第2章節(jié)的選型結(jié)果，對動力電池進行電量及放電功率確定，其主要關(guān)鍵參數(shù)見表4。

表4 動力電池關(guān)鍵參數(shù)

4 整車性能試驗設(shè)計及分析

為了驗證系統(tǒng)選型及仿真結(jié)果，針對整車進行動力性及續(xù)駛里程試驗測試，通過對標(biāo)試驗結(jié)果進一步驗證整車仿真模型的精度，分析仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.1 整車動力性能測試

依據(jù)GB/T 18385—2005《電動汽車 動力性能 試驗方法》，對純電動汽車進行動力性測試，動力性試驗在專門的試驗場地開展，主要測試內(nèi)容見表5。

表5 主要測試內(nèi)容

其中0-100km/h加速時間，仿真試驗結(jié)果對比如圖12所示。

圖12 0-100km/h加速時間對比

4.2 整車經(jīng)濟性能測試

依據(jù)GB/T 18386—2021《電動汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗方法 第1部分》規(guī)定，對其進行中國工況常規(guī)法試驗測試，試驗主要在整車轉(zhuǎn)轂試驗室開展。

4.3 仿真和試驗結(jié)果對比與分析

通過對標(biāo)仿真和試驗結(jié)果，其具體參數(shù)見表6，試驗測試驗證結(jié)果均滿足整車性能目標(biāo)。

表6 仿真與試驗對比

通過對比仿真與試驗結(jié)果，動力性關(guān)鍵指標(biāo)最大誤差＜3%左右，經(jīng)濟性誤差指標(biāo)僅為1.1%。系統(tǒng)選型及仿真準(zhǔn)確度較高。

5 結(jié)論

基于整車性能目標(biāo)，在對整關(guān)鍵系統(tǒng)的選型和仿真分析中，不僅針對性能目標(biāo)進行系統(tǒng)匹配設(shè)計，同時為了更好地提升整車能量管理水平，在制動系統(tǒng)能量回收策略及架構(gòu)上進行策劃和分析。

依據(jù)車輛動力學(xué)計算與MATLAB和AMEsim的結(jié)合應(yīng)用，確定了驅(qū)動系統(tǒng)及動力電池的相關(guān)參數(shù)，并對其選型結(jié)果進行實車性能試驗驗證。在續(xù)駛里程的仿真分析及試驗測試中，選用目前最新國標(biāo)規(guī)定的中國工況曲線，更加貼合用戶實際駕駛行為，為改善用戶體驗提供有力保障。通過仿真和試驗結(jié)果動力性及經(jīng)濟性結(jié)果的對比，進一步驗證了選型結(jié)果的準(zhǔn)確性。