李忠雨，劉宏鑫，李紅雨，王國(guó)鋒

（珠海英搏爾電氣股份有限公司 研發(fā)中心，廣東 珠海 519000）

引言

隨著國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略向低碳、節(jié)能型轉(zhuǎn)移，純電動(dòng)新能源汽車近年得到了快速發(fā)展，不僅可以有效緩解我國(guó)能源與環(huán)境壓力，還可以大幅度減少國(guó)民出行問(wèn)題。汽車主驅(qū)電機(jī)作為電動(dòng)汽車的核心部件，與整車的動(dòng)力性能、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)[1-2]，良好的整車動(dòng)力匹配方案不僅要滿足整車動(dòng)力性需求，還要使得電機(jī)外特性、效率MAP、車輛運(yùn)行工況三者深度耦合，才能使整車動(dòng)力更充沛，能耗更經(jīng)濟(jì)。

文獻(xiàn)[3]根據(jù)整車參數(shù)利用汽車動(dòng)力匹配解析法計(jì)算出了電機(jī)的峰值功率、峰值轉(zhuǎn)矩以及峰值轉(zhuǎn)速，并通過(guò)advisor對(duì)整車進(jìn)行了仿真，佐證了電機(jī)的選型、電池的容量及整車參數(shù)特性匹配是合理的，文獻(xiàn)[4]指出了以往對(duì)改裝車動(dòng)力仿真計(jì)算的缺乏，提出了電動(dòng)汽車改制的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)電機(jī)外特性的選擇匹配，對(duì)被改制車型進(jìn)行了最高車速、加速能力、爬坡性能和續(xù)航里程的仿真研究，分析表明，改制車型動(dòng)力匹配是合理的；文獻(xiàn)[5]根據(jù)外廠提供的三款電機(jī)MAP圖，并以一輛長(zhǎng)度為2558mm的電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，對(duì)速度特性、加速特性以及爬坡性能進(jìn)行了一系列的仿真分析，得出可以通過(guò)調(diào)整傳動(dòng)比來(lái)獲得良好的動(dòng)力性能等結(jié)論。

綜上所述，在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，多數(shù)學(xué)者關(guān)于電機(jī)匹配的研究大都集中在電機(jī)對(duì)整車動(dòng)力性能影響，而隨著新能源汽車數(shù)量的激增，能耗問(wèn)題越來(lái)越被重視，然而關(guān)于效率MAP對(duì)整車運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性影響及其匹配的文獻(xiàn)少有報(bào)道。

1 動(dòng)力性能匹配分析

主驅(qū)電機(jī)作為新能源電動(dòng)汽車的關(guān)鍵動(dòng)力部件，其運(yùn)行特性直接影響著整車的加速性能、爬坡性能、最高車速、能耗等性能，對(duì)電動(dòng)汽車的動(dòng)力性及舒適性有著重要意義，一套好的動(dòng)力系統(tǒng)，不僅要求電機(jī)一側(cè)要有充沛的動(dòng)力輸出，更要與整車的物理參數(shù)形成深度的配合，才會(huì)全面地發(fā)揮出電機(jī)的動(dòng)力潛能。本文以一臺(tái)8.5m純電動(dòng)公交車為研究對(duì)象，使用由美國(guó)再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL，National Renewable Energy Laboratory）開(kāi)發(fā)的高級(jí)車輛仿真系統(tǒng)ADVISOR（ADvanced VehIcle SimulatOR）對(duì)其性能匹配進(jìn)行深入地分析。

1.1 數(shù)學(xué)模型

Advisor采用了后向仿真為主，前向反饋為輔的前、后雙向仿真技術(shù)，如圖1所示，其整個(gè)能量流動(dòng)是從道路行駛工況發(fā)起，然后依次傳遞到整車、車輪、減速器、變速器、電機(jī)、電池，然后逐級(jí)向前傳遞反饋，形成閉環(huán)仿真系統(tǒng)，所以具有非常高的車輛仿真精度。

圖1 純電動(dòng)車仿真系統(tǒng)架構(gòu)

整車邏輯算法是以上一級(jí)車速請(qǐng)求作為系統(tǒng)的輸入，通過(guò)力學(xué)平衡方程（1）計(jì)算得到整車需要的牽引力和速度，并將求解得到的牽引力和速度輸出到車輪，車輪會(huì)將計(jì)算出的牽引力和極限反饋到整車作為判定，整車邏輯算法如圖2所示：

圖2 整車邏輯算法

電機(jī)邏輯算法模塊是以減速器模塊輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩作為請(qǐng)求輸入，電機(jī)算法針對(duì)預(yù)置電機(jī)MAP及其外特性進(jìn)行查表計(jì)算，并計(jì)算出需求的功率傳遞至電池模塊，電池模塊會(huì)依據(jù)電池實(shí)際的放電情況，計(jì)算出實(shí)際可以提供功率，并向前反饋到電機(jī)模塊處理，最終得到實(shí)際的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速輸出，電機(jī)邏輯算法如圖3所示。

圖3 電機(jī)邏輯算法

1.2 整車物理參數(shù)

整車物理參數(shù)對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)的選擇及其匹配是非常重要的參考依據(jù)，動(dòng)力匹配時(shí)需要準(zhǔn)確地列出其整車物理參數(shù)以便電機(jī)的選型和匹配，詳細(xì)參數(shù)如表1所示：

表1 整車物理參數(shù)

1.3 整車性能需求

整車性能需求是衡量動(dòng)力系統(tǒng)是否滿足整車設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，也是動(dòng)力系統(tǒng)選擇的重要參考，本文中整車性能需求表如表2所示：

表2 整車性能需求表

NEDC工況雖然具有國(guó)際普適性，但是與我國(guó)道路交通還有較大的區(qū)別，由于我國(guó)車流量密集程度高、剎車制動(dòng)頻繁、車速相對(duì)較低，所以中國(guó)城市道路工況更好地反映出我國(guó)的道路實(shí)際工況，如圖4所示。

圖4 中國(guó)城市道路工況

1.4 適配電機(jī)參數(shù)

通過(guò)以上整車的物理參數(shù)及整車性能需求，選擇了一款永磁同步電機(jī)，其具體參數(shù)如下表3所示：

表3 電機(jī)特性

為了明確上述適配電機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)能否滿足表2中對(duì)整車性能的需求，利用高級(jí)車輛仿真系統(tǒng)ADVISOR，對(duì)整車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了全面地分析。

1.5 仿真結(jié)果

根據(jù)以上整車物理參數(shù)、電機(jī)特性參數(shù)及中國(guó)典型城市道路工況，利用高級(jí)車輛仿真系統(tǒng)ADVISOR，對(duì)整車動(dòng)力性能進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到了以下運(yùn)行結(jié)果。

圖5 整車工況跟隨狀態(tài)

整車要求實(shí)際運(yùn)行工況曲線需要與道路工況完全跟隨，不允許有延時(shí)跟隨及速度偏差現(xiàn)象。從圖5中可以看出，工況跟隨曲線與城市工況曲線完全重合，說(shuō)明整車所適配的電機(jī)很好地滿足工況曲線跟隨，滿足匹配要求。

通過(guò)仿真結(jié)果圖6可以看出，0-69km/h加速時(shí)間計(jì)算結(jié)果為17.2s，滿足整車22s的性能需求；最高車速計(jì)算值為76.4km/h，滿足整車69km/h的車速需求，最大爬坡度計(jì)算后為15%，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 整車性能計(jì)算結(jié)果

2 能耗對(duì)電機(jī)效率MAP敏感性研究

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果可以看出，適配電機(jī)滿足動(dòng)力性需求，但是由于新能源汽車搭載的電池?cái)?shù)量有限，且其能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燃油車，所以對(duì)能耗及行駛里程等信息更加敏感，針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)比分析了兩款外特性指標(biāo)參數(shù)相同，但效率MAP分布不同的電機(jī)，通過(guò)兩款電機(jī)的能耗和里程的不同貢獻(xiàn)值，判斷出兩款電機(jī)的優(yōu)劣。

2.1 不同方案下的工況分布

為了分析電機(jī)能耗及行駛里程對(duì)電機(jī)效率MAP的敏感性，分別對(duì)兩款繞組匝數(shù)、永磁體用量及MAP分布不同的電機(jī)帶入ADVISOR模塊，進(jìn)行了中國(guó)典型城市道路工況的仿真，得到了工況對(duì)應(yīng)的效率分布落點(diǎn)，如圖7、8所示。

圖7 方案一效率MAP

圖8 方案二效率MAP

2.2 結(jié)果分析

通過(guò)兩方案MAP分布可以看出，方案二高效區(qū)域較廣且相對(duì)靠前， 且大部分工況點(diǎn)落在了高效區(qū)里面，工況與電機(jī)效率MAP的高效區(qū)耦合程度更深，使得整車能耗更加經(jīng)濟(jì)，兩款電機(jī)方案最終的能耗及行駛里程結(jié)果如表4所示：

表4 能耗及行駛里程對(duì)比結(jié)果

通過(guò)表4可以看出，電機(jī)方案一能耗為0.42kWh/km，電機(jī)方案二能耗為0.38 kWh/km，相差10.5%，行駛里程相差9.1%，可以看出方案二的經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)明顯優(yōu)于方案一，更加適合中國(guó)典型城市道路工況，能耗更經(jīng)濟(jì)，續(xù)航里程更遠(yuǎn)。

3 結(jié)論

本文以一臺(tái)8.5m新能源公交大巴為例，通過(guò)搭建完整的車輛仿真模型，并對(duì)其關(guān)鍵的仿真模塊進(jìn)行了細(xì)致的闡述，且在中國(guó)典型城市道路工況的基礎(chǔ)之上，對(duì)適配電機(jī)進(jìn)行了全面的動(dòng)力性能分析以及能耗分析。在動(dòng)力性能方面，通過(guò)高級(jí)車輛仿真平臺(tái)ADVISOR計(jì)算結(jié)果可以看出，適配電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩、峰值轉(zhuǎn)速、峰值功率及額定功率等參數(shù)的選取是合理的，滿足整車設(shè)計(jì)需求；在能耗方面，通過(guò)對(duì)比兩款參數(shù)相同而效率MAP分布不同的電機(jī)發(fā)現(xiàn)，整車能耗及續(xù)航里程對(duì)效率MAP分布和道路工況有很強(qiáng)的敏感性，佐證了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)外特性、效率MAP、車輛運(yùn)行工況三者深度耦合的重要性，為新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)，提供了一定的參考。