純電動(dòng)商用車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用

徐世福 馮潮星 田曉瑞 金丹

（陜西保利特種車(chē)制造有限公司，西安710200）

主題詞：動(dòng)力系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池 自動(dòng)變速器(AMT) 整車(chē)控制器

縮略語(yǔ)

1 前言

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出和汽車(chē)節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展，新能源汽車(chē)在市場(chǎng)上滲透速度加快，主要以純電動(dòng)汽車(chē)為代表的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)電動(dòng)化發(fā)展特征明顯。純電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)關(guān)鍵是提高續(xù)駛里程和動(dòng)力性能，零排放、節(jié)能性、環(huán)保性和智能化特征是純電動(dòng)汽車(chē)可持續(xù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。目前，純電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)存在動(dòng)力性差、車(chē)速適應(yīng)范圍窄、電機(jī)效率低、價(jià)格高和體積大的問(wèn)題。

電控機(jī)械自動(dòng)變速器（Automated Mechanical Transmission, AMT）可以使驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于高效運(yùn)行區(qū)間，經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及車(chē)速改善顯著，這對(duì)于商用車(chē)節(jié)能減排的意義重大，對(duì)于實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的貢獻(xiàn)巨大。采用AMT 傳動(dòng)形式的純電動(dòng)車(chē)可以有效解決商用車(chē)技術(shù)的難點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)一步提高換擋的操控性。

2 純電動(dòng)商用車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配

2.1 純電動(dòng)商用車(chē)基本參數(shù)及設(shè)計(jì)要求

純電動(dòng)商用車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)主要由4 部分組成：驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。傳動(dòng)系統(tǒng)由AMT、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋和輪胎組成，控制系統(tǒng)主要由整車(chē)控制器、電機(jī)控制器、AMT 控制器（TCU）和動(dòng)力電池控制器組成。AMT 與驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸連接，AMT 可以調(diào)速、增扭矩，具有小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)大載荷的特性。動(dòng)力系統(tǒng)布置如圖1所示，整車(chē)基本參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 純電動(dòng)商用車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)架

表1 純電動(dòng)商用車(chē)整車(chē)基本性能及設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配

永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特點(diǎn)是效率高、節(jié)能性好、轉(zhuǎn)矩大、駐坡啟動(dòng)較容易、平滑調(diào)速、操作平穩(wěn)、體積和質(zhì)量小、功率密度高和維修簡(jiǎn)單的特性。因此，選擇永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)是最佳方案。

純電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)決定著整車(chē)動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性。最高車(chē)速、最大爬坡度和最大加速度是選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的關(guān)鍵因素。

2.2.1 滿(mǎn)足最高車(chē)速要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的確定

最高車(chē)速是車(chē)輛動(dòng)力性的重要指標(biāo)，也是車(chē)輛設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。車(chē)輛最高車(chē)速下驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高功率為：

式中，P為最高車(chē)速功率；為最高車(chē)速；為總質(zhì)量；為重力加速度；為滾動(dòng)阻力系數(shù)；C為風(fēng)阻系數(shù)；為迎風(fēng)面積；η為傳動(dòng)總效率。

2.2.2 滿(mǎn)足最大爬坡要求的電機(jī)功率的確定

最大爬坡度是車(chē)輛動(dòng)力性的重要指標(biāo)，也是車(chē)輛設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。車(chē)輛最大爬坡度下的最大功率為：

式中，P為最大功率；為坡度角；為最低速度。

2.2.3 滿(mǎn)足加速時(shí)間要求的電機(jī)功率的確定

加速時(shí)間是車(chē)輛動(dòng)力性的重要指標(biāo)，也是車(chē)輛設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。從0～50 km/h的加速需要的最大功率為：

式中，P為滾動(dòng)阻力功率；P為空氣阻力功率；P為加速阻力功率；為車(chē)速；為總質(zhì)量；為重力加速度；為滾動(dòng)阻力系數(shù)；C為風(fēng)阻系數(shù)；為迎風(fēng)面積；η為傳動(dòng)總效率；d/d為加速度；為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

2.2.4 計(jì)算結(jié)果

（1）當(dāng)最高車(chē)速為100 km/h 時(shí)，所需的最大功率P為145 kW。

（2）當(dāng)車(chē)速大于10 km/h（坡度30%）時(shí)，所需要的功率P為126 kW。

（3）當(dāng)車(chē)速?gòu)? 加速到50 km/h，所需的功率P為175kW。

根據(jù)整車(chē)性能設(shè)計(jì)要求，選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率取最大值，即：

為了滿(mǎn)足整車(chē)性能，同時(shí)考慮到純電動(dòng)商用車(chē)附加功率需求，主要包括電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵功率、電動(dòng)氣泵功率、AMT 電動(dòng)換擋電機(jī)功率、電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)功率，最后確定的整車(chē)總功率需求為185 kW。

2.2.5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩的確定

根據(jù)車(chē)輛設(shè)計(jì)要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩，即：

式中，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大扭矩；為輪胎滾動(dòng)半徑；為總質(zhì)量；為重力加速度；為滾動(dòng)阻力系數(shù)；為最大傳動(dòng)比；η為傳動(dòng)總效率。

當(dāng)以滿(mǎn)載行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩需求為725 N·m，綜合考慮附件對(duì)功率的需求，額定功率定選擇為100 kW。根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及電機(jī)選擇要求可知：

式中，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；為最高車(chē)速；為最小傳動(dòng)比；為滾動(dòng)半徑。

通過(guò)計(jì)算可知驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min（見(jiàn)表2）。

根據(jù)設(shè)計(jì)車(chē)輛設(shè)計(jì)要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系公式為：

式中，為弱磁倍率，取值范圍1.2≤3.5，本方案取2.15；n為額定轉(zhuǎn)速；n為峰值轉(zhuǎn)速。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩為：

式中，T峰值轉(zhuǎn)矩；P為峰值功率；n為額定轉(zhuǎn)速。

帶入數(shù)據(jù)，求得：T=1 070 N·m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果及設(shè)計(jì)要求，最終選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的具體參數(shù)要求如表2所示。

表2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本參數(shù)

2.3 AMT的參數(shù)匹配

純電動(dòng)商用車(chē)變速器采用AMT自動(dòng)變速器，可以滿(mǎn)足車(chē)輛低速爬坡、最高車(chē)速、經(jīng)濟(jì)高效區(qū)域的要求。采用永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)與AMT 構(gòu)成總成的傳動(dòng)方案，使車(chē)輛動(dòng)力性強(qiáng)、可靠性高、電耗低，能夠較大幅度提升車(chē)輛的駕駛舒適性和運(yùn)營(yíng)效益，4擋AMT目前是行業(yè)主流、成熟的、可靠性很高的自動(dòng)變速器，使用范圍廣，可以滿(mǎn)足低擋良好爬坡性和高擋高速性的要求，所以選擇4 擋AMT 自動(dòng)變速器，額最大輸入扭矩達(dá)1 150 N·m，最高輸入轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。

確定最大傳動(dòng)比的主要影響是最大爬坡度、附著率和汽車(chē)最低穩(wěn)定車(chē)速。

最大傳動(dòng)比為：

式中，Σ總傳動(dòng)比；為最大速比；為主減速比；η為傳動(dòng)效率；T為最大轉(zhuǎn)矩。

通過(guò)計(jì)算可知：≤8.324，≥3.786，總傳動(dòng)比Σ=19.7。i為最大速比；i為主減速比；主減速比i=5.286，即AMT變速器速比i=3.727（表3）。

表3 AMT變速器速基本參數(shù)

3 動(dòng)力電池的參數(shù)匹配

磷酸鐵鋰電池特點(diǎn)是電壓高、密度大、循環(huán)次數(shù)多、安全性高、自放電率小。選取的動(dòng)力電池組參數(shù)和性能對(duì)車(chē)輛的動(dòng)力性和續(xù)駛里程有非常大的影響。動(dòng)力電池組的主要參數(shù)有電壓等級(jí)、額定容量、充放電倍率和使用溫度范圍，其數(shù)值的確定取決于電池的功率因素和能量因素，在選定動(dòng)力電池組的高壓平臺(tái)等級(jí)時(shí)，不僅要保證電機(jī)和其它輔助電器件的電壓范圍相一致，還要保證動(dòng)力電池組的放電功率能夠達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)所需功率的要求，還要滿(mǎn)足車(chē)輛設(shè)定的續(xù)駛里程的需求。

3.1 動(dòng)力電池組容量計(jì)算

動(dòng)力電池組的容量需要綜合考慮車(chē)輛設(shè)定的行駛里程需要消耗的能量，同時(shí)要考慮比功率、比能量、能量效率、放電水平和循環(huán)壽命水平。一般情況下先按照車(chē)輛在勻速行駛100 km 工況下消耗的能量來(lái)確定。需求的功率為：

式中，P為等速功率；為車(chē)速；為總質(zhì)量；為重力加速度；為滾動(dòng)阻力系數(shù)；C為風(fēng)阻系數(shù)；為迎風(fēng)面積；η為傳動(dòng)總效率。

按照=50 km/h；帶入得=46.6 kW。動(dòng)力電池組能量為：

式中，為動(dòng)力電池組實(shí)際續(xù)駛能量，為續(xù)駛里程，為續(xù)駛時(shí)間。

計(jì)算得出=93.2 kW·h；

式中，按照消耗的電量20%計(jì)算；ξ有效放電容量系數(shù)按0.8計(jì)算。

通過(guò)計(jì)算可知：=32 kW·h。

式中，為電池組總能量；為電池組電壓；為電池組容量。

計(jì)算可知電池額定容量為=315 A·h，磷酸鐵鋰動(dòng)力電池基本參數(shù)見(jiàn)表4。

3.2 動(dòng)力電池組數(shù)目選擇

根據(jù)鋰電池的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，動(dòng)力電池組一般都是由眾多單體電芯通過(guò)串、并聯(lián)組合的方式組成，成組后滿(mǎn)足續(xù)駛里程時(shí)的能量為：

式中，為電池單體個(gè)數(shù)；為單體電池工作電壓；為單體電池容量；η為電池組平均放電效率。

根據(jù)上述公式確定的電池基本參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池基本參數(shù)

4 整車(chē)控制器系統(tǒng)參數(shù)匹配

整車(chē)一體化控制器系統(tǒng)根據(jù)駕駛員的駕駛意圖、整車(chē)行駛狀態(tài)和整車(chē)各零部件（包含AMT、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池等）的運(yùn)行狀態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自動(dòng)起步、自動(dòng)換擋和決定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出、高壓電的閉合和斷開(kāi)、電機(jī)啟動(dòng)或停機(jī)操作。整車(chē)控制器系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、AMT、動(dòng)力電池控制器、電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力油泵驅(qū)動(dòng)器、永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)氣泵驅(qū)動(dòng)器、DC/DC 控制器、絕緣監(jiān)測(cè)儀控制器、電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)、高壓倉(cāng)（快充、電加熱、上裝的高壓配電）。

4.1 整車(chē)控制器系統(tǒng)構(gòu)架及策略

整車(chē)控制器是控制系統(tǒng)的核心，承擔(dān)了駕駛員意圖、數(shù)據(jù)交互管理、安全故障管理、能量流管理分配的任務(wù)。對(duì)車(chē)輛的動(dòng)力性、安全性和經(jīng)濟(jì)性有決定性的作用，整車(chē)控制器實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)關(guān)鍵部件的運(yùn)行情況，并及時(shí)對(duì)出現(xiàn)的情況進(jìn)處理，保證車(chē)輛運(yùn)行良好的狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)信息共享和全局控制，改善駕駛舒適性。整體構(gòu)架及策略如圖2所示。

圖2 整車(chē)控制器系統(tǒng)構(gòu)架及策略

4.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器電氣參數(shù)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器是通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流、電壓進(jìn)行控制，是控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)與動(dòng)力電池之間的能量轉(zhuǎn)換裝置，主要功能是根據(jù)檔位、電動(dòng)踏板、剎車(chē)指令，將動(dòng)力電池儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電能，來(lái)控制電動(dòng)汽車(chē)的啟動(dòng)、運(yùn)行、進(jìn)退、爬坡和制動(dòng)能量回收（表5）。

表5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器電氣參數(shù)

4.1.2 電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵控制器電氣參數(shù)

電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵控制器是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要組成部分，通過(guò)電機(jī)控制器控制車(chē)輛的轉(zhuǎn)向泵，按駕駛員意圖控制車(chē)輛行駛的方向，同時(shí)要確保轉(zhuǎn)向的靈活性、操控性、穩(wěn)定性和舒適性（表6）。

表6 電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵控制器電氣參數(shù)

4.1.3 電動(dòng)空壓機(jī)控制器電氣參數(shù)

電動(dòng)空壓機(jī)控制器是通過(guò)控制純電動(dòng)車(chē)獨(dú)立氣泵的空氣壓縮機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)給車(chē)輛提供制動(dòng)以及控制部件的氣源，通過(guò)變頻控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出壓力控制的方法，參如表7所示。

表7 電動(dòng)空壓機(jī)控制器電氣參數(shù)

4.1.4 DC/DC電氣參數(shù)

DC/DC 變換器作為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)中重要部分，DC/DC 系統(tǒng)由功率模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊組成，功能是為動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、空調(diào)和其它輔助設(shè)備提供所需的電源，參數(shù)如表8所示。

表8 DC/DC電氣參數(shù)

4.1.5 絕緣監(jiān)測(cè)儀

絕緣監(jiān)測(cè)儀是一種針對(duì)電源系統(tǒng)主線(xiàn)及分路的進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)絕緣狀態(tài)進(jìn)行管理的裝置，具有高可靠性、高安全性、人性化的特點(diǎn)，主要作用是電流電壓狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障報(bào)警、絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障報(bào)警、實(shí)時(shí)接地回路監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)電流檢測(cè)診斷、回路絕緣分級(jí)預(yù)警、接地歷史記錄分析、電壓平衡功能、蓄電池回路監(jiān)測(cè)功能、系統(tǒng)分布電容檢測(cè)功能、交直流電壓監(jiān)控，參數(shù)如表9所示。

表9 絕緣監(jiān)測(cè)儀

4.2 AMT控制系統(tǒng)

TCU接受到整車(chē)控制器的信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)，控制AMT 換擋電機(jī)實(shí)現(xiàn)選擋、離合器分離和結(jié)合進(jìn)行聯(lián)合操縱，離合執(zhí)行機(jī)構(gòu)和選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收從TCU 傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)力的中斷、擋位變換、傳動(dòng)力的恢復(fù)一系列快速的過(guò)程。驅(qū)動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同工況、不同負(fù)載、不同車(chē)速下的自動(dòng)換擋目的，從而滿(mǎn)足車(chē)輛使用要求，AMT 控制系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表10。

表10 AMT自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)電氣參數(shù)

4.3 動(dòng)力電池控制器電氣參數(shù)

動(dòng)力電池控制器通過(guò)控制動(dòng)力電池，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行系統(tǒng)管理及故障監(jiān)測(cè)，最終轉(zhuǎn)換輸出不同的電壓和電流，將滿(mǎn)足不同的系統(tǒng)要求，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)純電動(dòng)商用車(chē)整車(chē)供電，實(shí)現(xiàn)高低壓控制管理、電池?zé)峁芾砗碗姵毓收显\斷，滿(mǎn)足車(chē)輛使用的安全性、可靠性和動(dòng)力性要求，動(dòng)力電池控制器基本參數(shù)見(jiàn)表11。

表11 動(dòng)力電池控制器電氣參數(shù)

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

將試驗(yàn)樣車(chē)在C-WTVC 循環(huán)工況（GB/T 27840—2021）下進(jìn)行整車(chē)性能測(cè)試，結(jié)果如表12所示。

表12 車(chē)輛設(shè)計(jì)與試驗(yàn)性能指標(biāo)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知：純電動(dòng)商用車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)及選擇滿(mǎn)足車(chē)輛實(shí)際工況使用要求，整車(chē)總體性能指標(biāo)已經(jīng)優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，車(chē)輛可靠性、安全性、穩(wěn)定性良好，可以達(dá)到用戶(hù)實(shí)際使用要求，同時(shí)車(chē)輛進(jìn)行批量生產(chǎn)和車(chē)輛進(jìn)行實(shí)際使用中產(chǎn)品性能良好，可靠性、安全性、穩(wěn)定性良好。

6 結(jié)論

針對(duì)純電動(dòng)商用車(chē)客戶(hù)使用要求，根據(jù)整車(chē)設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、AMT、動(dòng)力電池、整車(chē)控制器、AMT控制器和動(dòng)力電池控制器進(jìn)行匹配研究，進(jìn)一步優(yōu)化性能并進(jìn)行性能驗(yàn)證。達(dá)到車(chē)輛的設(shè)計(jì)動(dòng)力性和續(xù)駛里程目標(biāo)，滿(mǎn)足車(chē)輛使用要求，重新匹配設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、AMT 和動(dòng)力電池系統(tǒng)之間的參數(shù)，提高了車(chē)輛經(jīng)濟(jì)性。

車(chē)輛使用中可以實(shí)現(xiàn)高可靠性、高動(dòng)力性、耗電低和清潔環(huán)保的目的，采用低轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速電機(jī)，拓寬電機(jī)高效區(qū)，增大爬坡度，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛工作在高效區(qū)。此外，車(chē)輛具有運(yùn)行噪音低、運(yùn)行平穩(wěn)、保養(yǎng)維護(hù)便利、維護(hù)時(shí)間短和維護(hù)成本低的優(yōu)勢(shì)。