A0級(jí)純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性集成方法

熊良劍 魏澤威 倪立 郝義國(guó)

（武漢格羅夫氫能汽車(chē)有限公司,武漢 430070）

主題詞：純電動(dòng)汽車(chē) 參數(shù)匹配 仿真 AVL CRUISE

1 前言

在“雙碳”戰(zhàn)略加速推動(dòng)全產(chǎn)業(yè)鏈綠色轉(zhuǎn)型以及消費(fèi)升級(jí)背景下，智能電動(dòng)汽車(chē)正成為新的趨勢(shì)。在中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)、制造工藝、質(zhì)量控制、供應(yīng)鏈體系等已經(jīng)處于愈加成熟的背景下，中國(guó)智能電動(dòng)汽車(chē)的崛起是發(fā)展的必然，中國(guó)電子商會(huì)智能電動(dòng)汽車(chē)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)公布了2021年度新能源乘用車(chē)終端銷(xiāo)量數(shù)據(jù)。其中顯示，2021年全年，我國(guó)新能源車(chē)終端累計(jì)銷(xiāo)量為288.32萬(wàn)輛。新能源汽車(chē)取代燃油車(chē)已成大勢(shì)所趨。以電動(dòng)智能為主要特征的百年未有之技術(shù)變革，讓中國(guó)汽車(chē)從全球的市場(chǎng)中心轉(zhuǎn)變?yōu)槿虻募夹g(shù)前沿陣地，中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了電動(dòng)智能新時(shí)代。

在各大主機(jī)廠競(jìng)爭(zhēng)越加激烈的背景下，同級(jí)別車(chē)型的整車(chē)性能參數(shù)作為消費(fèi)者購(gòu)車(chē)主要的參考指標(biāo)，一款車(chē)型的整車(chē)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性匹配合理性顯得尤為重要，本文通過(guò)對(duì)某款車(chē)型的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性集成方法進(jìn)行詳細(xì)闡述，根據(jù)輸入的基本參數(shù)通過(guò)理論計(jì)算確定電機(jī)、動(dòng)力電池及傳動(dòng)系統(tǒng)的基本參數(shù)后聯(lián)合AVL CRUISE軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)算，此方法可供整車(chē)工程技術(shù)人員今后研究作為參考和借鑒。

2 各系統(tǒng)和整車(chē)性能集成匹配技術(shù)

2.1 設(shè)定整車(chē)性能目標(biāo)

項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要關(guān)注的整車(chē)性能參數(shù)有整車(chē)的結(jié)構(gòu)耐久、被動(dòng)安全、NVH、動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性、整車(chē)重量、底盤(pán)調(diào)教、制動(dòng)性能、熱管理及空調(diào)性能等等，然而車(chē)型整車(chē)性能目標(biāo)設(shè)定一般采用市場(chǎng)調(diào)研、競(jìng)品分析的方式。對(duì)于動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性參數(shù)，0~100 km/h加速時(shí)間≤12 s，最大爬坡度≥30%，續(xù)駛里程≥300 km，以上為整車(chē)性能市場(chǎng)調(diào)研結(jié)果。通過(guò)競(jìng)品分析確定最高車(chē)速及驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)功率選型范圍。圖1為某A0級(jí)純電動(dòng)汽車(chē)最高車(chē)速競(jìng)品參數(shù)。

圖1 A0級(jí)純電動(dòng)汽車(chē)公告參數(shù)整理

根據(jù)圖1可知，A0級(jí)純電動(dòng)汽車(chē)最高車(chē)速基本都設(shè)定在80~120 km/h之間，且以100 km/h左右最為常見(jiàn)。

根據(jù)以上調(diào)研結(jié)果和競(jìng)品分析，基本可以確定整車(chē)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性性能目標(biāo)，通過(guò)性能目標(biāo)并根據(jù)整車(chē)基本參數(shù)可以搭建仿真模型計(jì)算各系統(tǒng)集成匹配選型需求，性能目標(biāo)設(shè)定如表1所示。

表1 A0級(jí)純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)性能目標(biāo)

2.2 系統(tǒng)集成匹配選型

2.2.1 整車(chē)基本參數(shù)

根據(jù)車(chē)型定義及市場(chǎng)輸入，確定整車(chē)基本參數(shù)如表2所示。

表2 A0級(jí)純電動(dòng)轎車(chē)整車(chē)基本參數(shù)

2.2.2 A0級(jí)純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真計(jì)算模型

圖2為A0級(jí)純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性計(jì)算模型，模型包含動(dòng)力電池系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)（主減速器及傳動(dòng)軸）、制動(dòng)系統(tǒng)和車(chē)輪以及整車(chē)控制系統(tǒng)等。

圖2 A0級(jí)純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性計(jì)算模型

2.2.3 確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)基本選型范圍

（1）驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)峰值轉(zhuǎn)速確定

依據(jù)整車(chē)性能目標(biāo)，最高車(chē)速≥120 km/h，根據(jù)式（1）。

式中，為電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速，為輪胎半徑，為主減速比，i為變速箱速比，可以得出驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速≥9 000 r/min。

（2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)峰值轉(zhuǎn)矩確定

依據(jù)整車(chē)性能目標(biāo)，最大爬坡度≥30%，根據(jù)式（2）。

式中，為整車(chē)滿載質(zhì)量，為主減速比，i為變速箱速比，η為減速器效率，為附著系數(shù)，為輪胎半徑，為爬坡角度（弧度），可以得出驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩≥170 N·m。

（3）驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)峰值功率確定

圖3為A0級(jí)純電動(dòng)汽車(chē)競(jìng)品車(chē)型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)峰值功率公告申報(bào)參數(shù)。

圖3 A0級(jí)純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成選型對(duì)標(biāo)

如圖3所示，A0級(jí)純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)峰值功率多選擇40~60 kW；且較多選擇45 kW或55 kW。

依據(jù)整車(chē)性能目標(biāo)，0~100 km/h加速時(shí)間≤12 s，采用60 kW驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)，整車(chē)加速性能如下，表3、圖4所示。

表3 整車(chē)加速性能 s

圖4 峰值功率60 kW驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)加速性能

根據(jù)以上分析，峰值功率60 kW驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)能滿足整車(chē)動(dòng)力性需求。

通過(guò)以上驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)選型計(jì)算，基本可以確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)選型范圍，按照表4對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行選型，可以滿足整車(chē)動(dòng)力性性能目標(biāo)。

表4 A0級(jí)純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力性對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)需求計(jì)算

根據(jù)此選型范圍可對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行集成選型，并綜合考慮系統(tǒng)成熟度、成本、壽命、空間結(jié)構(gòu)及可靠性等多方面確定最終選型結(jié)果。

2.2.4 動(dòng)力電池系統(tǒng)集成匹配選型需求

動(dòng)力電池系統(tǒng)需能滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、整車(chē)附件系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)的功率需求，且需滿足動(dòng)力性工況及經(jīng)濟(jì)性工況下對(duì)動(dòng)力電池放電功率需求。

（1）等速工況對(duì)動(dòng)力電池需求計(jì)算

等速工況下整車(chē)以恒定車(chē)速穩(wěn)定行駛，此工況下主要需求動(dòng)力電池系統(tǒng)持續(xù)放電功率，整車(chē)性能目標(biāo)設(shè)定最大巡航車(chē)速≥100 km/h，故動(dòng)力電池持續(xù)放電功率需覆蓋最大巡航車(chē)速下整車(chē)功率需求。

表5 A0級(jí)純電動(dòng)汽車(chē)不同巡航車(chē)速整車(chē)功率需求

如表5所示，整車(chē)性能目標(biāo)設(shè)定的最大巡航車(chē)速下整車(chē)功率需求為13.36 kW，所以需求的動(dòng)力電池持續(xù)放電功率需求需≥15 kW，按照動(dòng)力電池技術(shù)要求，動(dòng)力電池電量需≥15 kW·h。

（2）綜合工況對(duì)輔助能源需求計(jì)算

依據(jù)GB/T 18386—2017《電動(dòng)汽車(chē)能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》及GB/T 18386.1—2021《電動(dòng)汽車(chē)能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法第1部分：輕型汽車(chē)》。A0級(jí)純電動(dòng)汽車(chē)目前適用的綜合工況主要有NEDC綜合工況和CLTC-P綜合工況。下面將結(jié)合這2個(gè)綜合工況計(jì)算分析工況對(duì)動(dòng)力電池需求，如圖5中在NEDC綜合工況下動(dòng)力電池峰值放電功率為35 kW持續(xù)時(shí)間10 s，動(dòng)力電池峰值充電功率20 kW持續(xù)時(shí)間10 s。

圖5 NEDC綜合工況對(duì)輔助能源需求計(jì)算

如圖6中CLTC-P綜合工況下動(dòng)力電池峰值放電功率55 kW持續(xù)時(shí)間10 s，動(dòng)力電池峰值充電功率25 kW持續(xù)時(shí)間10 s。

如圖5、圖6所示，可以通過(guò)對(duì)綜合工況整車(chē)功率需求分析得出動(dòng)力電池綜合工況下功率需求。

（3）動(dòng)力性工況對(duì)輔助能源需求計(jì)算

動(dòng)力性工況下，為滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)峰值需求，動(dòng)力電池需滿足相應(yīng)的整車(chē)功率需求。考慮的動(dòng)力性工況主要是功率需求或電量需求較大的工況，主要考慮的有最高車(chē)速、30 min最高車(chē)速、0~100 km/h加速。

圖6 CLTC-P綜合工況對(duì)輔助能源需求計(jì)算

（4）最高車(chē)速對(duì)輔助能源需求計(jì)算

根據(jù)最高車(chē)速試驗(yàn)要求，車(chē)輛需加速到最高車(chē)速并保持行駛1 000 m，最高車(chē)速分為加速到最高車(chē)速和保持最高車(chē)速行駛1 000 m，圖7為A0級(jí)純電動(dòng)汽車(chē)最高車(chē)速計(jì)算結(jié)果。圖7結(jié)果顯示放電功率67 kW時(shí)可持續(xù)15 s，放電功率21 kW時(shí)可持續(xù)30 s。

圖7 最高車(chē)速對(duì)動(dòng)力電池需求計(jì)算

（5）30 min最高車(chē)速對(duì)輔助能源需求計(jì)算

30 min最高車(chē)速試驗(yàn)要求車(chē)輛以該車(chē)速持續(xù)行駛30 min，30 min最高車(chē)速100 km/h，對(duì)應(yīng)的整車(chē)功率需求為13.36 kW。

2.2.5 綜合工況續(xù)駛里程≥300 km

基于當(dāng)前A0級(jí)純電動(dòng)汽車(chē)集成匹配的整車(chē)基本參數(shù)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)，綜合工況下整車(chē)?yán)m(xù)駛里程≥300 km。

根據(jù)以上動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性工況下整車(chē)功率需求計(jì)算以及綜合工況下續(xù)駛里程需求電量計(jì)算（圖8），可以初步集成匹配整車(chē)性能對(duì)動(dòng)力電池需求（表6）。

3 系統(tǒng)集成匹配選型結(jié)果

基于以上計(jì)算的整車(chē)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性集成需求并結(jié)合市場(chǎng)資源和供應(yīng)商體系等，可以對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行集成匹配選型，表7為基本選型結(jié)果。

圖8 綜合工況下續(xù)駛里程≥300 km

表6 A0級(jí)純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性對(duì)動(dòng)力電池需求

基于以上匹配選型結(jié)果，可以搭載樣車(chē)進(jìn)行整車(chē)性能摸底試驗(yàn)，進(jìn)而確定性能是否達(dá)標(biāo)，從而驗(yàn)證匹配選型合理性。

4 整車(chē)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)與標(biāo)定

整車(chē)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)基于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18385—2005《電動(dòng)汽車(chē) 動(dòng)力性能 試驗(yàn)方法》和GB/T 18386—2017《電動(dòng)汽車(chē)能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》GB/T 18386.1—2021《電動(dòng)汽車(chē)能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法第1部分：輕型汽車(chē)》。

4.1 整車(chē)動(dòng)力性試驗(yàn)

整車(chē)動(dòng)力性試驗(yàn)在試驗(yàn)場(chǎng)的試驗(yàn)跑道上進(jìn)行，依據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，依次進(jìn)行30 min最高車(chē)速試驗(yàn)、最高車(chē)速試驗(yàn)、加速性能試驗(yàn)和坡道起步能力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表7 動(dòng)力系統(tǒng)集成匹配選型結(jié)果

表8 整車(chē)動(dòng)力性試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表8整車(chē)動(dòng)力性試驗(yàn)結(jié)果，整車(chē)動(dòng)力性滿足性能目標(biāo)，且比性能目標(biāo)好很多，具有較強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

4.2 整車(chē)經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)

整車(chē)經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)需在環(huán)境艙轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，須分別進(jìn)行NEDC綜合工況和CLTC-P綜合工況整車(chē)經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)。濟(jì)性滿足性能目標(biāo)，比性能目標(biāo)好很多，具有較強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

表9 整車(chē)經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上整車(chē)性能和各系統(tǒng)集成選型，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以盡可能做到迎合具體應(yīng)用場(chǎng)景和工況的需求，以適應(yīng)工況達(dá)到較優(yōu)的整車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性。在滿足運(yùn)輸需求的情況下，降低整車(chē)集成成本，對(duì)于推動(dòng)純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展具有巨大意義。同時(shí)，根據(jù)最終的試驗(yàn)結(jié)果分析整車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的相關(guān)參數(shù)值與仿真值相接近，這也體現(xiàn)了此動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性的集成方法的可靠性，動(dòng)力選型的正確性，可為今后其它級(jí)別的車(chē)型或者其它更為復(fù)雜的模型的研究奠定基礎(chǔ)。