陸 訓(xùn)，戴鵬程，王丹青，陶 娟

（奇瑞新能源汽車(chē)股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）

1 前言

能源與環(huán)境危機(jī)的日益加重，電動(dòng)汽車(chē)越來(lái)越多地被認(rèn)為是解決目前污染排放和能源合理利用的有效方案，純電動(dòng)汽車(chē)由于具有高效、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，成為各汽車(chē)制造商的研究重點(diǎn)，如何從系統(tǒng)匹配的角度出發(fā)，合理選擇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件及其有效參數(shù)，并使其匹配效果達(dá)到最優(yōu)，對(duì)改善整車(chē)能耗，提升整車(chē)能量管理水平有很大影響。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多主機(jī)廠及學(xué)者對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型匹配及性能仿真做了大量研究，利用理論分析和仿真等手段，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選型，石飛飛等基于整車(chē)性能目標(biāo)，分別開(kāi)展驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能匹配及仿真分析，但多數(shù)僅為理論分析和仿真模擬，未充分開(kāi)展關(guān)鍵系統(tǒng)的策略選型、架構(gòu)分析及試驗(yàn)論證；陳宏等雖然有相關(guān)的試驗(yàn)測(cè)試，但多數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)的NEDC工況，與真實(shí)的道路條件相差較多，目前最新國(guó)標(biāo)制定更加接近用戶真實(shí)駕駛行為的中國(guó)工況鮮有仿真設(shè)計(jì)研究與試驗(yàn)分析論證。

基于上述分析，本文主要針對(duì)目前比較普及的純電動(dòng)乘用轎車(chē)作為研究目標(biāo)，首先對(duì)純電動(dòng)乘用車(chē)主要的系統(tǒng)框架構(gòu)型設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的整車(chē)控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)串聯(lián)協(xié)調(diào)制動(dòng)的電液制動(dòng)IBS系統(tǒng)，充分利用車(chē)輪及路面附著，提升整車(chē)制動(dòng)效率及車(chē)輛穩(wěn)定性能。在關(guān)鍵系統(tǒng)零部件選型計(jì)算及設(shè)計(jì)上，采用整車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程及利用MATLAB、AMEsim等仿真軟件確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)及動(dòng)力電池相關(guān)主要參數(shù)并仿真分析，最后通過(guò)對(duì)標(biāo)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的方法，驗(yàn)證車(chē)輛關(guān)鍵系統(tǒng)選型滿足整車(chē)性能指標(biāo)要求。

2 純電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)分析

2.1 純電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)原理

傳動(dòng)汽車(chē)是由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，而純電動(dòng)汽車(chē)（EV）是通過(guò)動(dòng)力電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電能經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)整車(chē)行駛。目前主流的純電動(dòng)車(chē)型大多數(shù)使用的都是單電機(jī)，本文主要針對(duì)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車(chē)模式的兩驅(qū)車(chē)型進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。

純電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)主要由電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、汽車(chē)電、車(chē)身以及各種輔助裝置等部分組成。其中電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)決定了整車(chē)純電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)組成及其性能特征，是電動(dòng)汽車(chē)的核心。整車(chē)電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要構(gòu)成及工作原理如圖1所示。

圖1 純電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

滾動(dòng)阻力：

空氣阻力：

2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于某純電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)品定位以及市場(chǎng)需求，各主機(jī)廠確定相關(guān)的整車(chē)性能目標(biāo)，其中包含最高車(chē)速、最大爬坡度等動(dòng)力性指標(biāo)以及國(guó)標(biāo)規(guī)定的綜合工況的續(xù)航里程和能量消耗率。

整車(chē)性能目標(biāo)

某純電動(dòng)乘用車(chē)的設(shè)計(jì)目標(biāo)不僅要滿足城市代步需求，同時(shí)能夠滿足城郊跨區(qū)域行駛的自駕旅行，整車(chē)主要性能目標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 整車(chē)性能目標(biāo)參數(shù)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

汽車(chē)在道路上行駛的過(guò)程中，需要克服來(lái)自地面與輪胎相互作用產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力和來(lái)自車(chē)身和空氣接觸而產(chǎn)生的空氣阻力。當(dāng)汽車(chē)在坡道行駛時(shí)，還需克服其中立沿坡道的分力，即坡道阻力，汽車(chē)在加速行駛時(shí)，還需要克服汽車(chē)本身慣性力即加速阻力。因此，汽車(chē)行駛總阻力為：

坡道阻力：

加速阻力：

依據(jù)表2整車(chē)仿真輸入?yún)?shù)，利用MATLAB中的GUI模塊進(jìn)行選型仿真分析。GUI模塊選型程序及選型結(jié)果如圖2所示。

表2 整車(chē)性能仿真輸入?yún)?shù)

圖2 GUI模塊選型程序及選型結(jié)果

針對(duì)選型結(jié)果，一般做求整處理，結(jié)果見(jiàn)表3，針對(duì)所選結(jié)果，對(duì)電機(jī)進(jìn)行選型，其效率map如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率map

表3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)

2.3 電液助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了更好地提升整車(chē)能量管理水平，提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量回收效率，以改善能耗提升續(xù)航里程，本文制動(dòng)能量回收系統(tǒng)方案采用串聯(lián)式電液助力制動(dòng)系統(tǒng)，其相對(duì)并聯(lián)協(xié)調(diào)式電液助力制動(dòng)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生明顯的制動(dòng)感受差異。

電液助力系統(tǒng) （IBS）

電液助力系統(tǒng)（IBS）結(jié)構(gòu)上選用分體式總泵助力電子液壓式線控制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，通過(guò)蝸輪蝸桿/齒輪齒條減速增扭機(jī)構(gòu)，將助力電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為制動(dòng)主缸活塞的平動(dòng)，駕駛員踩踏制動(dòng)踏板的反饋力由機(jī)械解耦機(jī)構(gòu)提供。系統(tǒng)主要由電機(jī)、蝸輪蝸桿－齒輪齒條減速機(jī)構(gòu)、踏板模擬器、制動(dòng)主缸和中央控器等部分組成，如圖4所示。

圖4 IBS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

其中線控制動(dòng)系統(tǒng)中電制動(dòng)和液壓制動(dòng)串聯(lián)，為解耦系統(tǒng)。IBS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)車(chē)輛啟動(dòng)行駛時(shí)，當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板，車(chē)輛有制動(dòng)請(qǐng)求時(shí)，IBS進(jìn)行能量計(jì)算，計(jì)算駕駛員期望的總制動(dòng)力矩發(fā)給整車(chē)VCU控制電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如果駕駛員制動(dòng)力矩請(qǐng)求小于驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的制動(dòng)力矩，這制動(dòng)液壓不介入，如圖5所示。否則制動(dòng)液壓系統(tǒng)同步開(kāi)始工作，與IBS一起共同參與車(chē)輛制動(dòng)作用，如圖6所示。

圖5 液壓系統(tǒng)不介入工作模式

圖6 液壓系統(tǒng)介入工作模式

電液助力系統(tǒng) （IBS）分配邏輯

在電液分配中，整車(chē)中央控制單元（VCU）主控滑行能量回收的分配，可以保證車(chē)輛在滑行階段在電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)回收能力受限的工況下，車(chē)輛也能保證駕駛感受的一致性；IBS主控制動(dòng)能量回收，接收到駕駛員踩下制動(dòng)踏板后，負(fù)責(zé)獲得駕駛員總制動(dòng)需求，結(jié)合VCU能量回收能力及狀態(tài)，優(yōu)先使用電制動(dòng)來(lái)響應(yīng)減速度請(qǐng)求，分配給VCU和IBS進(jìn)行能量回收和液壓制動(dòng)，改善整車(chē)制動(dòng)損耗，分配策略如圖7所示。

圖7 電液分配策略

2.4 動(dòng)力電池參數(shù)設(shè)計(jì)方法

電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程與整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)綜合傳動(dòng)效率、能量回收策略、整車(chē)行駛工況以及電池性能有直接關(guān)系，需通過(guò)借助仿真手段進(jìn)行性能仿真，以求達(dá)到最優(yōu)結(jié)果。本文動(dòng)力電池選型手段，主要利用AMEsim一維仿真分析軟件，基于整車(chē)性能目標(biāo)、仿真輸入?yún)?shù)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)進(jìn)行性能仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)動(dòng)力電池電量進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

整車(chē)系統(tǒng)仿真邏輯架構(gòu)

整車(chē)系統(tǒng)仿真模型簡(jiǎn)單邏輯架構(gòu)由駕駛員模型、車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型、電機(jī)模型、動(dòng)力電池模型、整車(chē)控制單元（VCU）、附件系統(tǒng)單元組成，如圖8所示。

圖8 仿真邏輯架構(gòu)圖

整車(chē)系統(tǒng)軟件仿真模型

利用AMEsim仿真軟件針對(duì)該純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)校核及性能達(dá)標(biāo)分析，仿真分析模型如圖9所示。

圖9 仿真分析模型

中國(guó)工況（CLTC_P）仿真

依據(jù)GB/T 18386—2021《電動(dòng)汽車(chē)能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法 第1部分》規(guī)定，純電動(dòng)乘用車(chē)目前循環(huán)測(cè)試工況主要為中國(guó)工況（CLTC_P），工況平均車(chē)速為28.96km/h，最高車(chē)速為114.0km/h，怠速比例為22.1%，行駛里程為14.48km。分為低、中、高速3部分，低速部分674s，中速部分693s，高速部分433s，總運(yùn)行時(shí)間1800s，工況曲線如圖10所示。

圖10 CLTC_P工況曲線

3 整車(chē)仿真結(jié)果與分析

基于中國(guó)工況曲線作為整車(chē)性能仿真的輸入工況，圖11為一個(gè)完整的中國(guó)工況部分仿真結(jié)果輸出，可以看出仿真過(guò)程實(shí)際車(chē)速與目標(biāo)車(chē)速一致性保持良好，依據(jù)仿真結(jié)果，該車(chē)完全循環(huán)結(jié)束，工況里程約361.5km，滿足性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求，此時(shí)動(dòng)力電池電量約41.5kWh。

圖11 CLTC_P工況仿真結(jié)果

基于滿足整車(chē)性能目標(biāo)的加速、爬坡及續(xù)航里程指標(biāo)的前提下，基于目前較為常用的三元鋰電池，根據(jù)仿真結(jié)果及本文第2章節(jié)的選型結(jié)果，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行電量及放電功率確定，其主要關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 動(dòng)力電池關(guān)鍵參數(shù)

4 整車(chē)性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)選型及仿真結(jié)果，針對(duì)整車(chē)進(jìn)行動(dòng)力性及續(xù)駛里程試驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)對(duì)標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證整車(chē)仿真模型的精度，分析仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.1 整車(chē)動(dòng)力性能測(cè)試

依據(jù)GB/T 18385—2005《電動(dòng)汽車(chē) 動(dòng)力性能 試驗(yàn)方法》，對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行動(dòng)力性測(cè)試，動(dòng)力性試驗(yàn)在專門(mén)的試驗(yàn)場(chǎng)地開(kāi)展，主要測(cè)試內(nèi)容見(jiàn)表5。

表5 主要測(cè)試內(nèi)容

其中0-100km/h加速時(shí)間，仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖12所示。

圖12 0-100km/h加速時(shí)間對(duì)比

4.2 整車(chē)經(jīng)濟(jì)性能測(cè)試

依據(jù)GB/T 18386—2021《電動(dòng)汽車(chē)能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法 第1部分》規(guī)定，對(duì)其進(jìn)行中國(guó)工況常規(guī)法試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)主要在整車(chē)轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)室開(kāi)展。

4.3 仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析

通過(guò)對(duì)標(biāo)仿真和試驗(yàn)結(jié)果，其具體參數(shù)見(jiàn)表6，試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果均滿足整車(chē)性能目標(biāo)。

表6 仿真與試驗(yàn)對(duì)比

通過(guò)對(duì)比仿真與試驗(yàn)結(jié)果，動(dòng)力性關(guān)鍵指標(biāo)最大誤差＜3%左右，經(jīng)濟(jì)性誤差指標(biāo)僅為1.1%。系統(tǒng)選型及仿真準(zhǔn)確度較高。

5 結(jié)論

基于整車(chē)性能目標(biāo)，在對(duì)整關(guān)鍵系統(tǒng)的選型和仿真分析中，不僅針對(duì)性能目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)，同時(shí)為了更好地提升整車(chē)能量管理水平，在制動(dòng)系統(tǒng)能量回收策略及架構(gòu)上進(jìn)行策劃和分析。

依據(jù)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算與MATLAB和AMEsim的結(jié)合應(yīng)用，確定了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及動(dòng)力電池的相關(guān)參數(shù)，并對(duì)其選型結(jié)果進(jìn)行實(shí)車(chē)性能試驗(yàn)驗(yàn)證。在續(xù)駛里程的仿真分析及試驗(yàn)測(cè)試中，選用目前最新國(guó)標(biāo)規(guī)定的中國(guó)工況曲線，更加貼合用戶實(shí)際駕駛行為，為改善用戶體驗(yàn)提供有力保障。通過(guò)仿真和試驗(yàn)結(jié)果動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性結(jié)果的對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了選型結(jié)果的準(zhǔn)確性。