基于Cruise仿真的單雙檔電橋效率分析

郝井超，王雙

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 200092； 2.上海汽車變速器有限公司，上海 201822)

并列第一作者：王雙(1987—)，女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉窜囕v性能認(rèn)證。

0 前言

三合一電橋高度集成了電機(jī)、控制器及減速器3大模塊，是電動(dòng)汽車的核心部件，其主要作用是將電池的電能轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)汽車行駛的機(jī)械能。由于電動(dòng)汽車攜帶的能源較內(nèi)燃機(jī)車少，極大地限制其續(xù)航里程，因此提高三合一電橋的效率，減少能源損耗具有重要意義。通過(guò)減速器檔位匹配，可以使汽車運(yùn)行在電機(jī)的高效區(qū)，提高電橋效率，因此通過(guò)減速器檔位匹配提升電橋效率的研究被廣泛關(guān)注。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及各大汽車企業(yè)均做了大量研究，李海波等提出了采用線性插值和加權(quán)算法優(yōu)化減速器速比，提高了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率；史俊旭等通過(guò)分析新歐洲駕駛循環(huán)(NEDC)工況路譜的工況點(diǎn)，提出了評(píng)估電機(jī)能耗及效率的方法，實(shí)現(xiàn)了整車效率最優(yōu)；何衛(wèi)等通過(guò)分析整車實(shí)際使用工況，基于輸入轉(zhuǎn)速、輸入扭矩、油溫等參數(shù)，提出了一種驅(qū)動(dòng)橋的NEDC工況測(cè)試方法，大大地提高了測(cè)試精度。

本文基于某純電動(dòng)整車信息，提出了一種NEDC工況運(yùn)行效率(以下簡(jiǎn)稱“NEDC效率”)的計(jì)算方法，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，為后續(xù)對(duì)單雙檔電橋的NEDC效率分析提供了理論指導(dǎo)和計(jì)算方法。同時(shí)，以三合一電橋?yàn)檠芯繉?duì)象，使用相同電機(jī)匹配不同檔位的減速器，形成單雙檔三合一電橋，分別仿真計(jì)算其NEDC效率，并分析了電機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)。通過(guò)分析，雙檔電橋的運(yùn)行工況點(diǎn)更靠近電機(jī)的高效工作區(qū)，體現(xiàn)了雙檔電橋的優(yōu)越性。

1 NEDC效率計(jì)算方法

1.1 NEDC工況要求

NEDC工況是歐洲的續(xù)航測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示。由圖1可知：NEDC工況由4個(gè)運(yùn)行時(shí)間為195 s的市區(qū)循環(huán)和1個(gè)運(yùn)行時(shí)間為400 s的市郊循環(huán)組成，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程由勻加速、勻速、勻減速和停車4類工況組成，運(yùn)行總時(shí)間為1 180 s。我國(guó)工信部在對(duì)純電動(dòng)車的綜合里程進(jìn)行測(cè)試時(shí)，采用的就是NEDC工況測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。因此，本文基于NEDC工況開(kāi)展相關(guān)研究。

圖1 NEDC工況

1.2 NEDC效率仿真計(jì)算方法

在整車實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電橋的運(yùn)行工況十分復(fù)雜，但提高整車?yán)m(xù)航里程的基本原則是一致的：使電橋運(yùn)行工況點(diǎn)逼近其高效區(qū)，進(jìn)而提高其續(xù)航里程。本文基于Cruise軟件構(gòu)建整車模型，整車參數(shù)如表1所示，所建立的仿真模型如圖2所示。

表1 整車模型仿真計(jì)算參數(shù)

圖2 整車仿真模型

由圖2可知，電池的電能有兩方面用途：① 用于車載電器的消耗，如空調(diào)、中控板等；② 將電能提供給電橋轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)整車行駛。其中車載電器的電能消耗較少，在計(jì)算NEDC效率時(shí)，可忽略不計(jì)。NEDC效率主要取決于電橋?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化成機(jī)械能的效率，NEDC效率的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：為NEDC效率；=1為電橋效率為100%時(shí)、電池輸出的總能量；=實(shí)測(cè)為電橋效率為實(shí)測(cè)值時(shí)，電池輸出的總能量。

1.3 計(jì)算方法校核

為了校核仿真模型及計(jì)算方法的正確性，本文搭建了電橋試驗(yàn)臺(tái)，模擬整車NEDC工況，進(jìn)行計(jì)算方法及仿真模型校核。試驗(yàn)臺(tái)的工作原理如圖3所示。被測(cè)試電橋設(shè)置為扭矩模式，模擬整車運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力源；輸出電機(jī)為被測(cè)試電橋提供阻力，模擬整車運(yùn)行時(shí)負(fù)載；電池模擬器通過(guò)高壓線束為控制器提供直流高壓電源，模擬整車的電池包；上位機(jī)可實(shí)時(shí)顯示臺(tái)架各傳感器采集到的信號(hào)；功率分析儀采集電池模擬器傳輸給電橋的電壓和電流信息，內(nèi)部處理后得到輸入給電橋的電能；轉(zhuǎn)速扭矩儀采集輸出端各機(jī)械連接位置的轉(zhuǎn)速和扭矩信息，傳入到功率分析儀，處理后得到輸出的機(jī)械功。

圖3 測(cè)試臺(tái)架原理圖

試驗(yàn)實(shí)測(cè)的NEDC效率計(jì)算公式為：

(2)

式中：為機(jī)械功；為電能。

通過(guò)多次測(cè)試取得的NEDC效率平均值與仿真值的相對(duì)誤差為2.3%，表明構(gòu)建的仿真模型及提出的NEDC效率計(jì)算方法可以有效地對(duì)電橋效率進(jìn)行測(cè)試。

2 研究對(duì)象

本文以某廠生產(chǎn)的三合一電橋?yàn)檠芯繉?duì)象，具體參數(shù)見(jiàn)表2，分別匹配單檔及雙檔減速器，計(jì)算其NEDC效率。

表2 三合一電橋參數(shù)

電橋的電機(jī)及控制器的效率進(jìn)氣壓力傳感器的效率脈譜圖如圖4所示。由圖4可知，電動(dòng)模式的最高效率>96%，高效區(qū)分布在電機(jī)轉(zhuǎn)速5 000～10 000 r/min、扭矩50～150 N·m區(qū)域；發(fā)電模式的最高效率>95%，高效區(qū)分布在電機(jī)轉(zhuǎn)速6 000～10 000 r/min、扭矩-50～ -150 N·m區(qū)域。

圖4 電機(jī)控制器模塊效率

3 單雙檔電橋NEDC效率計(jì)算

3.1 單檔電橋

以表2中的單檔電橋?yàn)檠芯繉?duì)象，在圖2中的仿真模型中設(shè)置相關(guān)參數(shù)后，基于NEDC工況進(jìn)行仿真計(jì)算，分別得到當(dāng)單檔電橋效率為100%和實(shí)測(cè)值時(shí)，電池輸出的總能量為5 978.52 kJ和6 975.17 kJ。

通過(guò)式(1)計(jì)算可得，單檔電橋的NEDC效率為85.71%。提取電機(jī)的運(yùn)行工況參數(shù)，在Matlab中將其標(biāo)記在效率脈譜圖上，可得到運(yùn)行工況分布圖如圖5所示。由圖5可知，運(yùn)行工況點(diǎn)的最高效率為94.50%，并未進(jìn)入最高效率區(qū)域。

圖5 單檔電橋電機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)

3.2 雙檔電橋

采用與單檔電橋仿真相同的方法，可以計(jì)算得到當(dāng)雙檔電橋效率為100%和實(shí)測(cè)值時(shí)，電池輸出的總能量為5 918.39 kJ和6 716.65 kJ。

通過(guò)式(1)計(jì)算可得，雙檔電橋的NEDC效率為88.12%，可見(jiàn)雙檔電橋的效率較單檔電橋提升了2.41百分點(diǎn)。將雙檔電橋的電機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)標(biāo)記在效率脈譜圖上，可得到工況點(diǎn)分布圖如圖6所示。由圖6可知，運(yùn)行工況點(diǎn)最高效率逼近96.00%，較單檔電橋有明顯提升。

圖6 雙檔電橋電機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某廠生產(chǎn)的三合一電橋?yàn)檠芯繉?duì)象，分別匹配單檔及雙檔減速器，通過(guò)Cruise提出了計(jì)算NEDC效率的仿真算法，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)校驗(yàn)了該算法的有效性。使用1臺(tái)電機(jī)分別匹配單檔、雙檔減速器，對(duì)組成的2款電橋進(jìn)行仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明：雙檔電橋的NEDC效率較單檔提升了2.41百分點(diǎn)，驗(yàn)證了雙檔電橋的優(yōu)越性。本研究證明了通過(guò)速比優(yōu)化和換檔策略優(yōu)化，可進(jìn)一步提升電橋效率。