淺析純電動汽車動力系統(tǒng)性能開發(fā)

動力系統(tǒng)是純電動汽車可被消費(fèi)者感知的基本屬性，它包括車輛的動力響應(yīng)、續(xù)駛里程、駕乘體驗(yàn)及充電時(shí)間等，因此消費(fèi)者選購電動汽車的首要是選擇優(yōu)秀的動力系統(tǒng)。

如果動力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沒有滿足客戶需求及市場定位，用已有零部件東拼西湊，以完成零部件開發(fā)為目標(biāo)；或者設(shè)計(jì)中臨時(shí)變更，對結(jié)果驗(yàn)收控制不嚴(yán)格，對這樣設(shè)計(jì)出來的動力系統(tǒng)會無法保證車輛競爭力，不能給用戶帶來滿足感。如何設(shè)計(jì)出具備競爭力的動力系統(tǒng)，作者對多款車型開發(fā)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，下面進(jìn)行詳細(xì)說明。

動力系統(tǒng)性能開發(fā)V字流程

整車開發(fā)流程是汽車實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)到批量生產(chǎn)的重要保障，它通過系統(tǒng)化的目標(biāo)定義和嚴(yán)格的測試驗(yàn)證，確保產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造和交付過程中符合高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1]。動力系統(tǒng)開發(fā)流程按照V字流程可概括分為三層，如圖1所示。

V字左邊第一層為整車設(shè)計(jì)層級，應(yīng)首先明確車型定位、目標(biāo)用戶和核心賣點(diǎn)，從商品性需求中定義整車性能目標(biāo)，確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)能夠精準(zhǔn)滿足消費(fèi)者需求和市場趨勢。第二層為系統(tǒng)設(shè)計(jì)層級，根據(jù)整車目標(biāo)分解出動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的詳細(xì)開發(fā)參數(shù)，作為零部件設(shè)計(jì)的輸入。第三層為零部件設(shè)計(jì)層級，動力電池、電驅(qū)系統(tǒng)等根據(jù)分解的性能參數(shù)，完成詳細(xì)開發(fā)設(shè)計(jì)。V字右邊分別通過零部件、系統(tǒng)、整車搭載，完成車輛性能的驗(yàn)收，從而形成從目標(biāo)制定到目標(biāo)分解，再到零部件開發(fā)，最后到整車驗(yàn)證的閉環(huán)流程。

動力系統(tǒng)性能開發(fā)

動力系統(tǒng)的主要性能包含動力性、經(jīng)濟(jì)性、充電性、駕駛性、NVH（噪聲Noise，振動Vibration，聲振粗糙度Harshness）、EMC（ElectromagneticCompatibility，電磁兼容性）等。動力系統(tǒng)的性能開發(fā)主要指圍繞圖2所示的性能，根據(jù)整車分解的需求指標(biāo)，開發(fā)出符合市場需求的產(chǎn)品。

1.動力系統(tǒng)相關(guān)商品性目標(biāo)確認(rèn)

商品性定義是汽車研發(fā)過程中一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它通過明確產(chǎn)品在市場中的定位和滿足用戶需求的方向，為后續(xù)的設(shè)計(jì)、研發(fā)和生產(chǎn)提供指導(dǎo)[2，3]。首先明確產(chǎn)品在市場中的定位，包括目標(biāo)消費(fèi)群體、競爭對手及價(jià)格區(qū)間等，以確保產(chǎn)品能夠滿足市場需求和消費(fèi)者期望。其次確定產(chǎn)品的核心特性和賣點(diǎn)，如動力性能、安全性能、舒適性、智能化程度等。同時(shí)關(guān)注行業(yè)內(nèi)的技術(shù)發(fā)展趨勢，引入創(chuàng)新技術(shù)，提升產(chǎn)品的競爭力，例如低溫續(xù)駛里程打折率，超級快充技術(shù)。選擇與同級別中銷量、口碑較好的競品車進(jìn)行對標(biāo)分析。通過以上方法制定出的商品性目標(biāo)，可保證市場需求和產(chǎn)品定位相匹配，并具備同級別車型競爭力。

以某純電動B級SUV市場定位為例，目標(biāo)客戶是中產(chǎn)家庭，購車目的是提升全家人的出行品質(zhì)，追求實(shí)用舒適和主流潮流的科技體驗(yàn)。用戶最為重視的續(xù)駛里程、舒適、空間、安全、造型及補(bǔ)能等，歸納商品性目標(biāo)定義如圖3。

2.整車目標(biāo)設(shè)定與動力系統(tǒng)性能目標(biāo)分解

根據(jù)商品性目標(biāo)輸入，制定出整車性能目標(biāo)，是汽車開發(fā)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它把商品性目標(biāo)分解為具體的，工程化語言的性能指標(biāo)，明確了車輛在設(shè)計(jì)和開發(fā)階段需要達(dá)到的各項(xiàng)性能指標(biāo)，是確保研發(fā)的產(chǎn)品符合市場需求的重要文件，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供了明確的設(shè)計(jì)輸入，為市場和用戶提供了可靠的產(chǎn)品保證。表1為某車型動力性和經(jīng)濟(jì)性能整車目標(biāo)定義，包含了與競品對比的情況。

性能指標(biāo)分解是將整車性能目標(biāo)逐級分解到系統(tǒng)級和零部件級的過程，目的是將總體的整車性能指標(biāo)轉(zhuǎn)化為具體、分層級的子系統(tǒng)和零部件性能要求，以便在汽車開發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)各層級目標(biāo)的協(xié)同優(yōu)化和驗(yàn)證。以車輛動力性目標(biāo)為例，通過對汽車運(yùn)動學(xué)建立CAE（ComputerAidedEngineering，計(jì)算機(jī)輔助工程）數(shù)學(xué)模型，模擬汽車的運(yùn)動、受力、振動等特性，求出影響動力性相關(guān)因素的各個(gè)系統(tǒng)，并進(jìn)一步通過仿真工具，計(jì)算出滿足動力性要求下的電驅(qū)和電池放電功率及轉(zhuǎn)矩的需求。

根據(jù)GB/T18385-2024《純電動汽車動力性能試驗(yàn)方法》[4，動力性目標(biāo)可分為最高車速、30min最高車速、零百公里加速、爬坡車速及最大爬坡等。

本文以零百公里加速舉例，根據(jù)汽車運(yùn)動學(xué)CAE模型，汽車百公里加速主要影響因素有幾下幾個(gè)方面：

（1）車輛參數(shù)較輕的車身質(zhì)量能夠降低加速時(shí)的能耗，提升加速性能；優(yōu)化的車身設(shè)計(jì)（如低風(fēng)阻系數(shù)、隱藏式門把手、懸浮式尾翼等）可以減少空氣阻力，提高加速效率；輪胎的抓地力和滾動阻力直接影響車輛的加速表現(xiàn)，高性能輪胎可以提供更好的抓地力，減少打滑。

（2）動力系統(tǒng)電動機(jī)的峰值功率和轉(zhuǎn)矩輸出是影響加速性能的關(guān)鍵。高功率、高轉(zhuǎn)矩的電動機(jī)能夠在瞬間提供更強(qiáng)的動力，從而縮短加速時(shí)間；電池的電壓、容量和放電能力直接決定了電動機(jī)的能量供應(yīng)。高電壓、大容量且低內(nèi)阻的電池能夠更高效地輸出能量，支持電動機(jī)在加速時(shí)的大電流需求；高效的電動機(jī)、減速器和電控系統(tǒng)的集成效率，可以減少能量損失，提升加速性能；

（3）其他如高效的熱管理系統(tǒng)可以確保電池和電動機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)保持穩(wěn)定的工作溫度，避免因過熱導(dǎo)致的性能下降；快速的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度，可以在踩下加速踏板一刻立即發(fā)揮出最大轉(zhuǎn)矩輸出，快速進(jìn)發(fā)出動能。

當(dāng)不同約束系統(tǒng)之間目標(biāo)定義清楚后，需要對動力系統(tǒng)內(nèi)部哪些因素會影響百公里加速性能進(jìn)行詳細(xì)分解5＼～7]，詳見表2。

1）電動機(jī)峰值驅(qū)動功率、峰值轉(zhuǎn)矩目標(biāo)分解：根據(jù)汽車加速公式及整車參數(shù)，加速時(shí)間，可以計(jì)算驅(qū)動電動機(jī)需求峰值功率 ?220kW 且輸出時(shí)間 ?10s ，輪端峰值轉(zhuǎn)矩 ?3375N.m ，同時(shí)電池系統(tǒng)需要保證輸出電壓 ?635V ，熱管理系統(tǒng)需要保證電驅(qū)工作進(jìn)水溫度?65°C 。

2）電驅(qū)總成系統(tǒng)效率是指電驅(qū)動系統(tǒng)在將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能時(shí)的效率，通常用輸出功率與輸入電能的比值來表示。它是整個(gè)電驅(qū)動系統(tǒng)的綜合效率，包括電動機(jī)、電控和減速器等部件，反映了從電池到車輪整個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程的效率。在百公里加速工況中，此參數(shù)用來輔助計(jì)算電池系統(tǒng)放電功率。

3）電池系統(tǒng)峰值放電功率應(yīng)在電驅(qū)電功率的基礎(chǔ)上考慮效率加低壓附件消耗功率和動力系統(tǒng)控制預(yù)留功率，常溫低壓附件消耗功率根據(jù)不同項(xiàng)目取 0.2～ 0.4kW ，動力系統(tǒng)控制預(yù)留功率按經(jīng)驗(yàn)取3kW。

電池系統(tǒng)放電功率計(jì)算公式

式中 PBatt-Dchg_max 電池系統(tǒng)峰值放電功率， kW

PMtr_max 電動機(jī)峰值放電功率， kW η 電驅(qū)系統(tǒng)效率， % 。

4）電池系統(tǒng)放電末端電壓計(jì)算，需要考慮在全油門加速過程中電池輸出的電流很大，電池內(nèi)阻會引起電壓下降，從而影響輸出到電驅(qū)功率及電壓。電池包內(nèi)阻越大，壓降越大。

電池系統(tǒng)放電末端電壓計(jì)算公式

U_end=U-P_BattDchgmaxR_BattDchg/U

式中 R_BattDchg （2號 電池系統(tǒng)等效內(nèi)阻， Ω ，三元電池一般取 0.05～0.15Ω ，鐵鋰電池一般取 .0.1～0.15Ω

U 1 電池系統(tǒng)無負(fù)載輸出的開路電壓，V；Uend 電池包峰值放電末端電壓， ΔV PBatt-Dchg_max 電池系統(tǒng)峰值放電功率， kW 0

5）系統(tǒng)預(yù)留功率，是指為預(yù)防電池系統(tǒng)過放（由于電驅(qū)電流存在估算誤差以及電流尖峰，某些工況可能導(dǎo)致電池放電電流超過所允許的最大電流），需預(yù)留的控制電流，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取3kW。電動機(jī)輸出峰值驅(qū)動轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間，如圖5所示，是指電驅(qū)系統(tǒng)自身響應(yīng)轉(zhuǎn)矩目標(biāo)的時(shí)間，加載響應(yīng)越快，能力越強(qiáng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值一般取值 ?0.3s 。

動力系統(tǒng)開發(fā)驗(yàn)證

零部件根據(jù)系統(tǒng)層級輸入性能指標(biāo)，如功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電量等，完成材料選型、硬件開發(fā)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。零部件完成開發(fā)后，在實(shí)驗(yàn)室臺架測試，驗(yàn)證其是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，最后需要在整車搭載驗(yàn)收[8]。整車驗(yàn)收包含耐久測試、道路測試、性能指標(biāo)測試等，發(fā)現(xiàn)不符合項(xiàng)目后對問題進(jìn)行分析，可借助于FMEA等質(zhì)量工具找到問題真因，進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)整改，再重新測試直至合格。以某車型為例，對于動力系統(tǒng)相關(guān)的動力性目標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)、充電目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)收測試，結(jié)果見表3。

表3動力系統(tǒng)性能目標(biāo)驗(yàn)收表

結(jié)語

成功開發(fā)一款純電動汽車高壓系統(tǒng)開發(fā)，首先要從市場分析入手，研究消費(fèi)者需求、競爭對手產(chǎn)品，確定車輛的目標(biāo)市場定位；然后基于市場定位分解出動力系統(tǒng)的開發(fā)參數(shù)，完成系統(tǒng)的詳細(xì)開發(fā)設(shè)計(jì)；最后通過試驗(yàn)測試進(jìn)行開發(fā)目標(biāo)驗(yàn)收。

相比于單獨(dú)說明動力系統(tǒng)仿真匹配的文章不同，該方法重點(diǎn)在于如何從市場需求推導(dǎo)出開發(fā)指標(biāo)，用于零部件設(shè)計(jì)，保證最終產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，可具備競爭力，成功推向市場。

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