陸訓(xùn)，劉敏,戴鵬程， 陶娟

(奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241000)

0 引言

能源與環(huán)境危機(jī)的日益加重，電動汽車越來越多地被公認(rèn)為是解決目前污染排放和能源合理利用的有效方案，純電動汽車由于具有高效無污染等優(yōu)點(diǎn)，成為各汽車制造商的研究重點(diǎn)。

近年來，國內(nèi)外許多主機(jī)廠及學(xué)者利用理論分析和仿真等手段，對電動汽車進(jìn)行性能仿真與分析。石飛飛等基于整車性能目標(biāo)，分別開展驅(qū)動電機(jī)的性能匹配及仿真分析;夏靖武等基于兩擋變速器的純電動汽車為研究對象，重點(diǎn)分析匹配其關(guān)鍵動力系統(tǒng)參數(shù)，對研究車型動力性經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析;錢慶輝對ECVT混合動力系統(tǒng)構(gòu)型進(jìn)行分析,利用等效杠桿原理分析行星輪系的基本方法,針對設(shè)計(jì)指標(biāo)對10.5 m ECVT客車動力系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動電機(jī)、ISG電機(jī)、行星變速器、發(fā)動機(jī)和動力電池的參數(shù)匹配計(jì)算，多數(shù)采用單擋或兩擋減速器，針對純電動汽車搭載ECVT變速箱的性能仿真鮮有分析。

基于上述分析，文中主要以一款純電動乘用車作為研究目標(biāo)，對其搭載一種ECVT變速箱的動力性及經(jīng)濟(jì)性，以及如何確定ECVT速比進(jìn)行理論分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 純電動汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)分析

1.1 純電動汽車結(jié)構(gòu)原理

傳動汽車是由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動，而純電動汽車(electric vehicles,EV)是通過動力電池儲能系統(tǒng)中的電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動整車行駛。目前主流的純電動車型大多數(shù)使用的都是單電機(jī)，文中主要針對單電機(jī)驅(qū)動整車模式的兩驅(qū)車型進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。

純電動汽車的結(jié)構(gòu)主要由電力驅(qū)動控制系統(tǒng)、汽車底盤、車身以及各種輔助裝置等部分組成。其中,動力傳動控制系統(tǒng)決定了整車純電動汽車的結(jié)構(gòu)組成及其性能特征，是電動汽車的核心。純電動汽車系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理如圖1所示。

圖1 純電動汽車系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

1.2 ECVT結(jié)構(gòu)及工作原理

ECVT的主要優(yōu)點(diǎn)在于各種工作狀態(tài)下都能保持最佳的傳動比和圓滑過渡，能夠同時(shí)兼顧整車的經(jīng)濟(jì)性和動力性。文中主要介紹的是一種電機(jī)加帶輪系統(tǒng)及減速齒輪結(jié)構(gòu)的ECVT變速器。其通過電動泵提供需要的壓力油，通過鋼帶的無級調(diào)速保證電驅(qū)系統(tǒng)處于高效區(qū)域運(yùn)行，同時(shí)通過更大的一擋速比提升整車動力性。ECVT結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ECVT結(jié)構(gòu)

2 ECVT速比選取理論分析

借鑒《汽車?yán)碚摗分幸毫ψ兙仄鞯裙β拾l(fā)動機(jī)特性曲線為理想的汽車發(fā)動機(jī)特性的原則。為了更好地實(shí)現(xiàn)動力傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)的目的，采用綜合考慮電機(jī)效率和ECVT效率的原則，利用多個(gè)MAP制作成綜合傳動效率MAP，如圖3所示，并找出每條等功率線上的最佳效率點(diǎn)，形成全功率域最佳傳動效率線MAP如圖4所示。

圖3 ECVT綜合傳動效率MAP

圖4 全功率域最佳傳動效率線MAP

依據(jù)最佳傳動效率線，利用等功率的原則，插值求解出整個(gè)速比MAP，結(jié)果見表1。

表1 ECVT速比MAP

3 仿真模型的建立與分析

文中基于西門子高級仿真軟件AMESim進(jìn)行工程系統(tǒng)建模和性能仿真分析，用鋼帶及單減集成單元模擬ECVT減速器，其中整車性能仿真輸入?yún)?shù)見表2。

表2 整車性能仿真輸入?yún)?shù)

3.1 整車仿真控制邏輯架構(gòu)

根據(jù)整車結(jié)構(gòu)搭建一種ECVT純電動汽車仿真模型，如圖5所示，主要包括運(yùn)行工況模塊、駕駛員模塊、整車模塊、整車VCU控制器模塊、電機(jī)模塊、電池模塊及附件系統(tǒng)模塊等。在此模型中，駕駛員將按照工況所要求的速度發(fā)送駕駛指令。整車控制器在滿足駕駛員需求的同時(shí)，綜合考慮電機(jī)能力和電池的安全限值，將相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩發(fā)送給電機(jī)，電機(jī)將按照控制器發(fā)送的要求力矩驅(qū)動車輛行駛。

圖5 ECVT電動汽車仿真分析模型

3.2 ECVT速比仿真邏輯定義

目前市場上常見的純電動汽車大多配備了單級減速器，這種配置對電機(jī)性能要求較高，很難保證電機(jī)在正常高效區(qū)域工作。減速器擋位數(shù)的增加有利于增加驅(qū)動電機(jī)在最大功率和高效區(qū)域的工作機(jī)會。主要采用整車速度和電機(jī)輸出功率為輸入，利用導(dǎo)入的ECVT速比MAP，采用自動插值求解邏輯計(jì)算模式,自動尋找所需速比及不同速比下所對應(yīng)的效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)速比無級可調(diào)的目的。ECVT電動汽車求解邏輯示意如圖6所示。

圖6 ECVT電動汽車求解邏輯示意

3.3 整車性能仿真結(jié)果分析

ECVT純電動汽車傳動系統(tǒng)齒比能夠調(diào)速到較小值，在高速階段驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速相對于搭載單級減速器純電動汽車更高，所以當(dāng)驅(qū)動力與行駛阻力相等，整車處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，搭載 ECVT的純電動汽車最高車速具有較大優(yōu)勢，同時(shí)由于 ECVT 擁有速比連續(xù)可調(diào)的特點(diǎn)，能夠使驅(qū)動電機(jī)長時(shí)間保持最佳工作區(qū)間，所以在0～100 km/h加速階段也同樣擁有較好的加速表現(xiàn)。依據(jù)整車純電動汽車仿真模型，進(jìn)行整車動力性及經(jīng)濟(jì)性仿真，整車性能仿真結(jié)果見表3。

表3 整車性能仿真結(jié)果

續(xù)駛里程仿真工況依據(jù)GB/T 18386.1—《2021電動汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法 第1部分：輕型汽車》規(guī)定的純電動乘用車循環(huán)測試工況，工況平均車速為28.96 km/h，最高車速為114.0 km/h，怠速比例為22.1%，行駛里程為14.48 km。分為低、中、高速3個(gè)部分，低速部分674 s，中速部分693 s，高速部分433 s，總運(yùn)行時(shí)間1 800 s。圖7為不同工況下車速隨時(shí)間變化曲線，圖8為不同工況下整車加速度隨時(shí)間變化曲線，兩條變化曲線在數(shù)值上都有正有負(fù)，正值表示車輛處于加速過程，負(fù)值表示車輛處于減速行駛狀態(tài)。可以看出車輛實(shí)際行駛狀態(tài)能很好地追尋標(biāo)準(zhǔn)工況，表現(xiàn)出了良好的精度。

圖7 不同工況下車速隨時(shí)間變化曲線

圖8 不同工況下整車加速度隨時(shí)間變化曲線

圖9為電機(jī)輸入功率隨時(shí)間變化曲線，圖10為電機(jī)扭矩隨時(shí)間變化曲線，兩條變化曲線在數(shù)值上都有正有負(fù)，正值表示電機(jī)工作時(shí)對外驅(qū)動做功，負(fù)值表示制動時(shí)能量回收，一部分能量通過電機(jī)回到動力電池中。

圖9 電機(jī)輸入功率隨時(shí)間變化曲線

圖10 電機(jī)扭矩隨時(shí)間變化曲線

圖11為速比隨時(shí)間變化曲線，由圖可以看出，ECVT起到了無級變速的目的，隨著車速及功率的變化，速比實(shí)時(shí)變化，調(diào)整電機(jī)的扭矩和運(yùn)行速度，以達(dá)到優(yōu)化傳動系統(tǒng)效率的目的。圖12為續(xù)航里程隨時(shí)間變化曲線，計(jì)算顯示該車?yán)m(xù)航里程約為375 km。

圖11 速比隨時(shí)間變化曲線

圖12 續(xù)航里程隨時(shí)間變化曲線

4 結(jié)論

文中主要針對一種ECVT純電動汽車整車動力性及經(jīng)濟(jì)性仿真分析及速比的理論選型方法，建立了一套相對簡單快速且較為完整的模擬分析方法。

(1)簡單介紹了一種ECVT純電動汽車的邏輯控制分析方法。

(2)提出了一種基于全功率域上的最佳傳動效率線來優(yōu)選ECVT速比的方法，簡便快捷。

(3)對一種ECVT純電動汽車進(jìn)行了整車動力性及經(jīng)濟(jì)性仿真邏輯分析，為后續(xù)的試驗(yàn)研究提供了理論參考。