劉德興，葉磊，張濤，彭沖

純電動(dòng)轎車傳動(dòng)系統(tǒng)匹配對(duì)能耗的影響

劉德興1,2，葉磊1,2，張濤1,2，彭沖1,2

（1.招商局檢測(cè)車輛技術(shù)研究院有限公司 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401122；2.電動(dòng)汽車安全評(píng)價(jià)重慶市工業(yè)和信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401122）

文章以北汽E150EV純電動(dòng)轎車為研究對(duì)象，首先在Matlab中建立車輛模型，并利用實(shí)車數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定和驗(yàn)證，然后結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況，通過仿真分析單減速比和兩擋變速器傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)車輛能耗的影響。

純電動(dòng)轎車；傳動(dòng)系統(tǒng)；匹配；效率；能耗；仿真

前言

純電動(dòng)轎車的驅(qū)動(dòng)形式有：?jiǎn)坞姍C(jī)單傳動(dòng)比、單電機(jī)兩擋變速器以及四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)等。目前大多數(shù)純電動(dòng)轎車采用單電機(jī)單傳動(dòng)比驅(qū)動(dòng)形式，主要是因?yàn)殡姍C(jī)的調(diào)速范圍寬，低速轉(zhuǎn)矩大，能夠滿足車輛動(dòng)力性要求，而去掉變速器可以節(jié)省成本，減輕車輛重量。

對(duì)于單電機(jī)單傳動(dòng)比驅(qū)動(dòng)形式，在選擇減速比時(shí)需要兼顧車輛起步加速性能和最高車速。傳動(dòng)比不同還會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的工作區(qū)域發(fā)生變化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)效率不同。傳統(tǒng)的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)方法主要考慮動(dòng)力性和最高車速[1-4]，有的基于工況進(jìn)行傳動(dòng)比設(shè)計(jì)[5-6]。

如果純電動(dòng)轎車使用兩擋變速器，會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜程度，但是可以使電機(jī)更多地工作在高效率區(qū)域，并且可以減小電機(jī)功率和尺寸。本文將定量分析兩擋變速器對(duì)車輛能耗的影響。

1 仿真建模

首先在Matlab/Simulink環(huán)境下建立E150EV電動(dòng)車模型，并進(jìn)行0 km/h～50 km/h、0 km/h～100 km/h直線加速仿真，并利用實(shí)車數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定和驗(yàn)證。純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，電機(jī)通過主減速器直接驅(qū)動(dòng)差速器。整車模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，模型包括電機(jī)模型、電池組模型、傳動(dòng)系統(tǒng)模型以及車輛動(dòng)力學(xué)模型。

圖1 純電動(dòng)轎車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖

圖2 車輛仿真模型

1.1 電機(jī)模型

電機(jī)模型主要考慮電機(jī)的轉(zhuǎn)矩外特性和電機(jī)工作效率。仿真過程中，根據(jù)車輛運(yùn)行工況計(jì)算出需要的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，如果電機(jī)在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下能達(dá)到需求轉(zhuǎn)矩，則輸出需求轉(zhuǎn)矩，否則輸出電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。

式中，m,req是需求的電機(jī)轉(zhuǎn)矩；m,dis和m,chg分別是電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下的最大輸出轉(zhuǎn)矩和發(fā)電狀態(tài)下的最大輸入轉(zhuǎn)矩；m和m分別是電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

圖3為電機(jī)的效率圖，包括驅(qū)動(dòng)效率和發(fā)電效率，其中驅(qū)動(dòng)效率為電機(jī)輸出動(dòng)力時(shí)的效率，發(fā)電效率為電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)的效率。

圖3 電機(jī)效率圖

1.2 電池組模型

電池組采用圖4所示的內(nèi)阻模型，忽略溫度對(duì)電池的影響，該模型電池組SOC狀態(tài)方程為[7]：

VOC是電池組的開路電壓，Rint為內(nèi)阻，這兩個(gè)參數(shù)是SOC的函數(shù)。Qb是電池組的電容量，Rt是電池組的端電阻。

1.3 車輛動(dòng)力學(xué)模型

車輛動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化為單質(zhì)量點(diǎn)縱向動(dòng)力學(xué)模型[1]：為車速，0是車重，包括汽車整備質(zhì)量以及載重，r=0+r/w2為車輛等效慣性質(zhì)量，r為車輪、電機(jī)以及傳動(dòng)軸等旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，w為車輪半徑。d、f、w分別為驅(qū)動(dòng)力、滾動(dòng)阻力和風(fēng)阻，本文不考慮坡度。是仿真時(shí)間步長(zhǎng)。

2 仿真計(jì)算與模型標(biāo)定驗(yàn)證

車輛數(shù)學(xué)模型建好以后，需要根據(jù)實(shí)車數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，主要包括車輛動(dòng)力性和能耗計(jì)算兩方面，使模型仿真結(jié)果能正確反映車輛實(shí)際運(yùn)行狀況。對(duì)于動(dòng)力性，已知E150EV電動(dòng)車0 km/h～50 km/h和0 km/h～100 km/h的直線加速時(shí)間，參照此數(shù)據(jù)對(duì)兩個(gè)車輛模型的參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，使其與實(shí)車數(shù)據(jù)吻合。

對(duì)于能量消耗，選取北京市郊縣電動(dòng)出租車實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)E150EV轎車進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證。

2.1 直線加速仿真

表1列出了加速時(shí)間的仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，兩值基本吻合。

表1 模型仿真直駛加速時(shí)間

項(xiàng)目0 km/h～50 km/h加速時(shí)間/s0 km/h～100 km/h加速時(shí)間/s 仿真結(jié)果6.820.9 實(shí)測(cè)結(jié)果6.821

2.2 北京市郊縣出租車實(shí)際工況

圖5列出了4輛北京市示范運(yùn)行純電動(dòng)出租車一天24小時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，這4輛車包含3種車型，包含2輛電池電量為21 kWh的北汽E150EV、1輛電池電量為24 kWh的長(zhǎng)安E30和1輛電池電量為24.8 kWh的現(xiàn)代首旺500E，且4輛車分布在不同區(qū)域。行駛里程約在150 km～230 km之間，電耗約在29 kWh～32 kWh之間。換算為百公里電耗，如表2所示。通過數(shù)據(jù)可以看到，北京市郊縣出租車運(yùn)行工況比較一致，最高車速基本不超過80 km/h。

表2 北京市電動(dòng)出租車運(yùn)行數(shù)據(jù)

房山E30平谷E150EV平谷500E密云E150EV 百公里電耗/(kWh/100 km)13.9614.5021.3815.84

圖5 北京市電動(dòng)車運(yùn)行工況

選取第二組數(shù)據(jù)平谷區(qū)北汽E150EV工況中16:30至17:30為仿真工況，時(shí)間7 622 s，平均車速28.7 km/h，最高車速80 km/h，里程58.1 km。實(shí)車數(shù)據(jù)顯示，SOC由91.6%（19.2 kWh）降到53.6%（11.2 kWh），過程耗電8.0 kWh，百公里耗電13.8 kWh。

2.3 標(biāo)定驗(yàn)證

以起始SOC 91.6%開始仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)模型系統(tǒng)效率參數(shù)進(jìn)行調(diào)整標(biāo)定，使模型與實(shí)際情況相符。最終仿真結(jié)果如圖6所示：SOC從91.6%降到53.7%，驅(qū)動(dòng)耗電9.73 kWh，回收1.8 kWh，占總耗電18.5%，合計(jì)耗電7.93 kWh。電機(jī)工作點(diǎn)如圖3所示。

圖6 北京市郊縣運(yùn)行工況

為了驗(yàn)證模型的適應(yīng)性，選取同一輛車當(dāng)天上午的一段工況進(jìn)行驗(yàn)證，如圖7所示。工況為3 010 s，里程19.3 km，平均時(shí)速23.1 km/h。實(shí)車SOC由69.2%降到56.8%，仿真結(jié)果SOC降到56.3%，誤差1%。說明標(biāo)定后的模型計(jì)算的能耗與實(shí)車相符。

圖7 模型驗(yàn)證

用標(biāo)定好的模型分別運(yùn)行NEDC工況和如圖6所示的北京郊縣工況，得到NEDC工況和北京郊縣工況百公里能耗數(shù)據(jù)分別為17.20 kWh/100 km和13.77 kWh/100 km。

本節(jié)利用E150EV車輛模型進(jìn)行了直駛加速仿真和工況仿真，并利用實(shí)車數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。仿真結(jié)果表明，該模型無論在動(dòng)力性還是電能消耗計(jì)算方面，都與實(shí)車數(shù)據(jù)吻合。

3 單減速比對(duì)能耗的影響

由圖3電機(jī)效率圖可知，一般8 000 r/min的高速電機(jī)，最高效率區(qū)域大約在4 000 r/min的中高轉(zhuǎn)矩區(qū)域。如果以提高系統(tǒng)效率為目標(biāo)，則希望電機(jī)的工作點(diǎn)盡量多地分布在高效率區(qū)域。由電機(jī)工作點(diǎn)分布圖可知，電機(jī)的高效率區(qū)域沒有得到充分利用。直觀地看，如果增加減速比，使電機(jī)工作點(diǎn)向右移動(dòng)，有可能會(huì)提高系統(tǒng)效率，減少能耗。本節(jié)將嘗試不同的減速比，觀察其對(duì)能耗的影響。

圖8 減速比對(duì)能耗的影響

圖9 E150EV功率和轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)分析

本次仿真把NEDC工況的最高車速限制在80 km/h以內(nèi)，里程變?yōu)?0.4 km，以保證在大范圍變化減速比動(dòng)力性仍然能滿足工況要求。圖8顯示了E150EV在兩種工況下主減速比與能耗的關(guān)系，軸畫出了各減速比下的能耗相對(duì)于最低能耗的額外能量消耗率。從圖中數(shù)據(jù)可知，雖然減速比與能耗有一定關(guān)系，但是減速比在最佳值附近變化，對(duì)能耗的影響很小。而且E150EV原車減速比對(duì)于北京市郊縣工況就位于最佳點(diǎn)上，增加減速比雖然使電機(jī)工作點(diǎn)向高效率轉(zhuǎn)速區(qū)域移動(dòng)，但是增加轉(zhuǎn)速的同時(shí)降低了轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致效率下降。

表3 單減速比最低能耗數(shù)據(jù)

車型NEDC工況北京郊縣工況 北汽E150EV/(kWh/100 km)14.4913.64

圖9統(tǒng)計(jì)了E150EV在兩種工況下的功率和電機(jī)轉(zhuǎn)速分布，發(fā)現(xiàn)需求功率集中在20 kW以內(nèi)，超過30 kW的功率很少。從電機(jī)效率圖可知，高效率區(qū)域的電機(jī)功率大約在35 kW～45 kW之間，所以通過調(diào)整減速比很難把電機(jī)的工作點(diǎn)調(diào)整到高效率區(qū)域。如果要提高效率，唯一的辦法是降低電機(jī)功率，使高效率區(qū)域功率降低到20 kW左右。但是降低了電機(jī)功率，車輛的動(dòng)力性會(huì)變差，必須增加變速器來保證動(dòng)力性。

4 兩擋變速器對(duì)能耗的影響

根據(jù)圖9的功率統(tǒng)計(jì)，北京市郊縣工況需要的功率基本在30 kW以內(nèi)，本節(jié)把E150EV的電機(jī)最大功率降到35 kW，匹配兩擋變速器，通過仿真分析電機(jī)工作區(qū)間以及能耗。

圖10 E150EV匹配兩擋變速器電機(jī)工作點(diǎn)

圖10為E150EV匹配兩擋變速器的仿真結(jié)果，1擋傳動(dòng)比為16，2擋傳動(dòng)比為8。1擋大減速比使電機(jī)的工作點(diǎn)移動(dòng)到高效率區(qū)域，并且起步加速動(dòng)力性好。2擋功率較大，充分利用了電機(jī)的高效率區(qū)域，最終能耗為7.65 kWh，合計(jì)百公里耗電13.18 kWh。比單減速比最小電耗節(jié)省3.4%電能。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)E150EV電動(dòng)車進(jìn)行仿真，以研究其傳動(dòng)系統(tǒng)匹配對(duì)電機(jī)工作區(qū)域和能耗的影響。首先通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型進(jìn)行標(biāo)定和驗(yàn)證，確保動(dòng)力性和能耗計(jì)算準(zhǔn)確。然后定量分析了單減速比傳動(dòng)系統(tǒng)和兩擋變速器傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)車輛能耗的影響。發(fā)現(xiàn)通過減小電機(jī)功率，并匹配變速器，可以在一定程度上優(yōu)化電機(jī)的工作區(qū)間，并減少能耗。

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The Influence of Transmission System on Energy Consumption for Pure Electric Car

LIU Dexing1,2, YE Lei1,2, ZHANG Tao1,2, PENG Chong1,2

( 1.China Merchants Testing Certification Vehicle Technology Research Institute Co., Ltd., National Bus Quality Supervision & Inspection Center, Chongqing 401122; 2.Key Laboratory of Chongqing Ministry of Industry and Information Technology for Electric Vehicle Safety Evaluation, Chongqing 401122 )

This paper will do research on the influence of transmission system on energy consumption for pure electric vehicle. Taking BAIC E150EV as research object.Firstly build the model in Matlab and do calibration and validation for the model based on test data. Then use a real driving cycle to simulate the vehicle with different transmission systems: one-gear transmission system and two-gear transmission system, and analyse the energy consumption.

Electric vehicle; Transmission system; Matching; Efficiency; Energy consumption; Simulation

U461.8；U469.72

A

1671-7988(2021)22-01-04

劉德興（1991—），男，碩士，工程師，就職于招商局檢測(cè)車輛技術(shù)研究院有限公司，國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，主要從事新能源汽車整車檢測(cè)及研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.001

CLC NO.: U461.8; U469.72

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1671-7988(2021)22-01-04