一種ECVT純電動乘用車性能仿真與設計

陸訓，劉敏,戴鵬程， 陶娟

(奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241000)

0 引言

能源與環(huán)境危機的日益加重，電動汽車越來越多地被公認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。

近年來，國內(nèi)外許多主機廠及學者利用理論分析和仿真等手段，對電動汽車進行性能仿真與分析。石飛飛等基于整車性能目標，分別開展驅動電機的性能匹配及仿真分析;夏靖武等基于兩擋變速器的純電動汽車為研究對象，重點分析匹配其關鍵動力系統(tǒng)參數(shù)，對研究車型動力性經(jīng)濟性進行仿真分析;錢慶輝對ECVT混合動力系統(tǒng)構型進行分析,利用等效杠桿原理分析行星輪系的基本方法,針對設計指標對10.5 m ECVT客車動力系統(tǒng)進行驅動電機、ISG電機、行星變速器、發(fā)動機和動力電池的參數(shù)匹配計算，多數(shù)采用單擋或兩擋減速器，針對純電動汽車搭載ECVT變速箱的性能仿真鮮有分析。

基于上述分析，文中主要以一款純電動乘用車作為研究目標，對其搭載一種ECVT變速箱的動力性及經(jīng)濟性，以及如何確定ECVT速比進行理論分析與優(yōu)化設計。

1 純電動汽車系統(tǒng)結構及設計分析

1.1 純電動汽車結構原理

傳動汽車是由內(nèi)燃機驅動，而純電動汽車(electric vehicles,EV)是通過動力電池儲能系統(tǒng)中的電能轉化成機械能，進而驅動整車行駛。目前主流的純電動車型大多數(shù)使用的都是單電機，文中主要針對單電機驅動整車模式的兩驅車型進行分析與設計。

純電動汽車的結構主要由電力驅動控制系統(tǒng)、汽車底盤、車身以及各種輔助裝置等部分組成。其中,動力傳動控制系統(tǒng)決定了整車純電動汽車的結構組成及其性能特征，是電動汽車的核心。純電動汽車系統(tǒng)架構及工作原理如圖1所示。

圖1 純電動汽車系統(tǒng)架構及工作原理

1.2 ECVT結構及工作原理

ECVT的主要優(yōu)點在于各種工作狀態(tài)下都能保持最佳的傳動比和圓滑過渡，能夠同時兼顧整車的經(jīng)濟性和動力性。文中主要介紹的是一種電機加帶輪系統(tǒng)及減速齒輪結構的ECVT變速器。其通過電動泵提供需要的壓力油，通過鋼帶的無級調速保證電驅系統(tǒng)處于高效區(qū)域運行，同時通過更大的一擋速比提升整車動力性。ECVT結構如圖2所示。

圖2 ECVT結構

2 ECVT速比選取理論分析

借鑒《汽車理論》中液力變矩器等功率發(fā)動機特性曲線為理想的汽車發(fā)動機特性的原則。為了更好地實現(xiàn)動力傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)的目的，采用綜合考慮電機效率和ECVT效率的原則，利用多個MAP制作成綜合傳動效率MAP，如圖3所示，并找出每條等功率線上的最佳效率點，形成全功率域最佳傳動效率線MAP如圖4所示。

圖3 ECVT綜合傳動效率MAP

圖4 全功率域最佳傳動效率線MAP

依據(jù)最佳傳動效率線，利用等功率的原則，插值求解出整個速比MAP，結果見表1。

表1 ECVT速比MAP

3 仿真模型的建立與分析

文中基于西門子高級仿真軟件AMESim進行工程系統(tǒng)建模和性能仿真分析，用鋼帶及單減集成單元模擬ECVT減速器，其中整車性能仿真輸入?yún)?shù)見表2。

表2 整車性能仿真輸入?yún)?shù)

3.1 整車仿真控制邏輯架構

根據(jù)整車結構搭建一種ECVT純電動汽車仿真模型，如圖5所示，主要包括運行工況模塊、駕駛員模塊、整車模塊、整車VCU控制器模塊、電機模塊、電池模塊及附件系統(tǒng)模塊等。在此模型中，駕駛員將按照工況所要求的速度發(fā)送駕駛指令。整車控制器在滿足駕駛員需求的同時，綜合考慮電機能力和電池的安全限值，將相應的轉矩發(fā)送給電機，電機將按照控制器發(fā)送的要求力矩驅動車輛行駛。

圖5 ECVT電動汽車仿真分析模型

3.2 ECVT速比仿真邏輯定義

目前市場上常見的純電動汽車大多配備了單級減速器，這種配置對電機性能要求較高，很難保證電機在正常高效區(qū)域工作。減速器擋位數(shù)的增加有利于增加驅動電機在最大功率和高效區(qū)域的工作機會。主要采用整車速度和電機輸出功率為輸入，利用導入的ECVT速比MAP，采用自動插值求解邏輯計算模式,自動尋找所需速比及不同速比下所對應的效率，進而實現(xiàn)速比無級可調的目的。ECVT電動汽車求解邏輯示意如圖6所示。

圖6 ECVT電動汽車求解邏輯示意

3.3 整車性能仿真結果分析

ECVT純電動汽車傳動系統(tǒng)齒比能夠調速到較小值，在高速階段驅動輪的轉速相對于搭載單級減速器純電動汽車更高，所以當驅動力與行駛阻力相等，整車處于穩(wěn)定狀態(tài)時，搭載 ECVT的純電動汽車最高車速具有較大優(yōu)勢，同時由于 ECVT 擁有速比連續(xù)可調的特點，能夠使驅動電機長時間保持最佳工作區(qū)間，所以在0～100 km/h加速階段也同樣擁有較好的加速表現(xiàn)。依據(jù)整車純電動汽車仿真模型，進行整車動力性及經(jīng)濟性仿真，整車性能仿真結果見表3。

表3 整車性能仿真結果

續(xù)駛里程仿真工況依據(jù)GB/T 18386.1—《2021電動汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗方法 第1部分：輕型汽車》規(guī)定的純電動乘用車循環(huán)測試工況，工況平均車速為28.96 km/h，最高車速為114.0 km/h，怠速比例為22.1%，行駛里程為14.48 km。分為低、中、高速3個部分，低速部分674 s，中速部分693 s，高速部分433 s，總運行時間1 800 s。圖7為不同工況下車速隨時間變化曲線，圖8為不同工況下整車加速度隨時間變化曲線，兩條變化曲線在數(shù)值上都有正有負，正值表示車輛處于加速過程，負值表示車輛處于減速行駛狀態(tài)。可以看出車輛實際行駛狀態(tài)能很好地追尋標準工況，表現(xiàn)出了良好的精度。

圖7 不同工況下車速隨時間變化曲線

圖8 不同工況下整車加速度隨時間變化曲線

圖9為電機輸入功率隨時間變化曲線，圖10為電機扭矩隨時間變化曲線，兩條變化曲線在數(shù)值上都有正有負，正值表示電機工作時對外驅動做功，負值表示制動時能量回收，一部分能量通過電機回到動力電池中。

圖9 電機輸入功率隨時間變化曲線

圖10 電機扭矩隨時間變化曲線

圖11為速比隨時間變化曲線，由圖可以看出，ECVT起到了無級變速的目的，隨著車速及功率的變化，速比實時變化，調整電機的扭矩和運行速度，以達到優(yōu)化傳動系統(tǒng)效率的目的。圖12為續(xù)航里程隨時間變化曲線，計算顯示該車續(xù)航里程約為375 km。

圖11 速比隨時間變化曲線

圖12 續(xù)航里程隨時間變化曲線

4 結論

文中主要針對一種ECVT純電動汽車整車動力性及經(jīng)濟性仿真分析及速比的理論選型方法，建立了一套相對簡單快速且較為完整的模擬分析方法。

(1)簡單介紹了一種ECVT純電動汽車的邏輯控制分析方法。

(2)提出了一種基于全功率域上的最佳傳動效率線來優(yōu)選ECVT速比的方法，簡便快捷。

(3)對一種ECVT純電動汽車進行了整車動力性及經(jīng)濟性仿真邏輯分析，為后續(xù)的試驗研究提供了理論參考。