蔣華梁、覃祥、姜宏霞、陳文

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

0 引言

在我國汽車市場，商用車保有量約占汽車保有量的12%，但商用車輛排放中的NO 和PM 污染物排放量分擔(dān)率高達(dá)80%，溫室氣體排放量占道路交通總排放量的77%。因此，商用車是汽車產(chǎn)業(yè)減污降碳的關(guān)鍵之一[1]。為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的政策需要，GB 20997《輕型商用車輛燃料消耗量限值》第四階段限值標(biāo)準(zhǔn)對N1 類輕型商用汽油車油耗限值進(jìn)一步加嚴(yán)10%～15%，輕型商用車的平均油耗標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)也會在2026 年1 月1 日考核。基于輕型商用汽油車第四階段限值和企業(yè)平均油耗考核要求，開發(fā)純電動輕型商用車勢在必行。

當(dāng)前我國電動商用車發(fā)展仍面臨續(xù)駛里程短的問題，而驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的匹配是影響續(xù)航里程的關(guān)鍵因素。為研究純電動輕型商用車?yán)m(xù)駛里程的提升和驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)匹配方法，相關(guān)學(xué)者做了較多研究。續(xù)駛里程提升方面，彭鵬峰等提出了以提高電機(jī)效率的3 擋傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配方法提高電機(jī)的能量利用率，新歐洲標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)工況（NEDC）下續(xù)駛里程提升了14.1%[2]；王永鼎等提出了汽車前后軸制動力分配策略，制定能量回收策略，NEDC工況下總能量回收率提升1.97%[3]。驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)匹配方面，施佳能等根據(jù)某款純電動商用車經(jīng)濟(jì)性與動力性的要求，進(jìn)行了動力參數(shù)匹配[4]；孫國慶等基于某型純電動商用車總體設(shè)計(jì)指標(biāo)，采用理論公式計(jì)算初步選定了動力系統(tǒng)參數(shù)[5]。

但以上的參數(shù)匹配完整性不夠，續(xù)航提升針對NEDC 工況，且續(xù)航提升方法較單一，續(xù)航管控時(shí)無法為全面挖掘整車?yán)m(xù)航潛力提供指導(dǎo)。本文以后驅(qū)純電動輕型商用車為研究對象，解析其驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)匹配理論，并基于AMEsim 進(jìn)行整車動力經(jīng)濟(jì)性仿真，根據(jù)匹配理論部分找出CLTC-C 工況下與續(xù)航相關(guān)的因素，進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。

1 驅(qū)動系統(tǒng)性能參數(shù)匹配理論

后驅(qū)純電動輕型商用車動力系統(tǒng)包括電機(jī)控制器、驅(qū)動電機(jī)、主減速器三合一、動力電池、高壓配電盒、車載充電器OBC與直流變換器DCDC、低壓蓄電池、低壓負(fù)載以及慢充系統(tǒng)等，OBC 和DCDC 集成于高壓配電盒（圖1）。高壓電池輸出電能，通過電機(jī)控制器驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩經(jīng)過主減速器減速增扭后，驅(qū)動車輛行駛。

圖1 后驅(qū)純電動輕型商用車驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)匹配

純電動輕型商用車按滿載考核整車動力性指標(biāo)，驅(qū)動電機(jī)的峰值功率需要滿足滿載條件下最高車速、加速和爬坡的功率需求[6]。爬坡功率需求包括滿足國標(biāo)GB/T 28382—2012《純電動乘用車 技術(shù)條件》維持滿載爬坡車速的功率需求，以及車輛滿載最大爬坡度目標(biāo)車速的功率需求。加速功率需求包括滿足CLTC工況下，整車按測試質(zhì)量加載跟隨車速曲線的功率需求和初始車速到終止車速的加速功率需求。即驅(qū)動電機(jī)的峰值功率為：

式中：Pm為驅(qū)動電機(jī)峰值功率的數(shù)值，單位kW；P1為最高車速電機(jī)峰值功率豐的數(shù)值，單位kW；P2為30 min 最高車速電機(jī)峰值功率的數(shù)值，單位kW；P3為從初始速度加速到終止車速加速功率需求的數(shù)值，單位kW；P4為4%坡度一定車速電機(jī)峰值功率的數(shù)值，單位kW；P5為12%坡度一定車速電機(jī)峰值峰值功率的數(shù)值，單位kW；P6為最大爬坡度對應(yīng)電機(jī)峰值功率的數(shù)值，單位kW；P7i為整車跟隨CLTC 工況第i點(diǎn)電機(jī)功率的數(shù)值，單位kW。

最高車速電機(jī)峰值功率為：

式中：MGVM為整車滿載質(zhì)量的數(shù)值，單位kg；Vmax為最高車速的數(shù)值，單位km/h；A為迎風(fēng)面積的數(shù)值，單位m2；Cd為風(fēng)阻系數(shù)的數(shù)值；g為重力加速度的數(shù)值，取9.8 km/s2；f為滾阻系數(shù)的數(shù)值，按SAEJ-2452 測試標(biāo)準(zhǔn)測試獲得；ηt為傳動系統(tǒng)效率。

30 min 最高車速電機(jī)峰值功率為：

式中：V30min為30 min 最高車速的數(shù)值，單位km/h。滿足加速時(shí)間要求的電機(jī)峰值功率為P3：

式中：t為車速U1加速到U2加速時(shí)間的數(shù)值，單位s ；V為車速的數(shù)值，單位 km/h ；nm為電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)值，單位r/min ；r為輪胎滾動半徑的數(shù)值，單位m ；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)的數(shù)值。

4%坡度一定車速電機(jī)峰值功率為：

式中：Vslope4為4%坡度爬坡車速的數(shù)值，按國標(biāo)GB/T 28382—2012 規(guī)定車速為60 km/h；αslope4為坡度值4%。

12%坡度一定車速電機(jī)峰值功率為：

式中：Vslope12為12%坡度爬坡車速，按國標(biāo)GB/T 28382—2012 規(guī)定車速為30 km/h；αslope12為坡度值12%。

最大爬坡度需求電機(jī)峰值功率為：

式中：Vmaxslope為最大爬坡度爬坡車速的數(shù)值，單位km/h；α為最大爬坡度，應(yīng)不低于國標(biāo)GB/T 28382—2012 規(guī)定的最小20%坡度值。

整車跟隨CLTC 工況第i點(diǎn)的電機(jī)功率為：

式中：Vi為CLTC 工況第i點(diǎn)車速的數(shù)值，單位km/h；V（i-1）為CLTC 工況第（i-1）點(diǎn)車速的數(shù)值，單位km/h。

根據(jù)電機(jī)最大功率、額定功率及供應(yīng)商提供的電機(jī)樣件參數(shù)，選擇電機(jī)最大轉(zhuǎn)速nmax和最大扭矩Tmax，并根據(jù)速比選擇進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。

1.2 傳動系統(tǒng)速比匹配

輕型商用車一般采用單級減速器，在傳動比的匹配過程中，主減速比需要滿足最大爬坡度要求的最小傳動比。同時(shí)，主減速比不大于滿足最高車速需求的最大速比和不大于根據(jù)摩擦力極限確定的最大傳動比，即主減速比為：

式中：imin為滿足最大爬坡度對應(yīng)的最小傳動比；imax為滿足最高車速對應(yīng)的最大傳動比。

滿足最大爬坡度對應(yīng)的最小傳動比為：

滿足最高車速對應(yīng)的最大傳動比為：

1.3 動力蓄電池系統(tǒng)性能參數(shù)匹配

動力電池的匹配按輸入的續(xù)駛里程目標(biāo)和循環(huán)的能量需求進(jìn)行計(jì)算，CLTC-C 工況動力電池放電正功為：

式中：ηm為電機(jī)電控系統(tǒng)效率。

第一，企業(yè)審計(jì)人員一旦發(fā)現(xiàn)被審計(jì)企業(yè)存在違規(guī)違法行為，要對此進(jìn)行明確界定，根據(jù)客觀事實(shí)來公平合理地劃分責(zé)任。

CLTC-C 工況動力電池放電負(fù)功為：

CLTC-C 工況循環(huán)電池電耗功為：

式中：ηc為制動能量回收比例目標(biāo)；Pd為低壓功耗的數(shù)值，kW·h；ηdcdc為DCDC 工作效率；ηbatt為電池充電效率。

滿足續(xù)駛里程目標(biāo)的動力電池電量需求為：

式中：CBatt為電池容量的數(shù)值，單位kW·h；Rtarget為純電續(xù)駛里程目標(biāo)的數(shù)值，單位km；Battdis為動力電池的放電深度；SCLTC為CLTC-C 工況里程的數(shù)值，取16.43 km。

2 驅(qū)動系統(tǒng)匹配結(jié)果分析

驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)匹配所需的純電動輕型商用車的整車主要參數(shù)輸入如表1 所示。

表1 整車主要參數(shù)輸入表

參照公式（1）～公式（16），代入表1 中所列整車參數(shù)，最終選定的驅(qū)動系統(tǒng)性能參數(shù)匹配理論匹配的結(jié)果（表2）。

表2 驅(qū)動系統(tǒng)性能參數(shù)匹配結(jié)果

3 整車動力經(jīng)濟(jì)性仿真分析

為進(jìn)一步對整車動力經(jīng)濟(jì)性仿真，本文中采用基于AMEsim軟件建立純電動輕型商用車整車動力經(jīng)濟(jì)性仿真分析模型，模型包括駕駛員模塊、整車模塊、控制器模塊、電機(jī)模塊、電池模塊、低壓附件損失模塊、外部環(huán)境模塊、DCDC 模塊和傳動模塊，如圖2 所示。其中控制器模型包含能量回收策略，能量回收策略為電機(jī)用于制動車輛并使電池回收，如果電機(jī)不能提供所需的扭矩，控制器使用車輛機(jī)械制動器來完成制動。

圖2 整車動力經(jīng)濟(jì)性仿真模型

將表1 整車參數(shù)和表2 匹配的驅(qū)動系統(tǒng)性能參數(shù)代入整車動力經(jīng)濟(jì)性仿真模型，仿真結(jié)果主要包括加速時(shí)間、爬坡度及純電續(xù)航里程結(jié)果，仿真結(jié)果滿足整車性能目標(biāo)要求。說明驅(qū)動系統(tǒng)性能參數(shù)匹配理論得到正確驗(yàn)證，可用此模型進(jìn)行整車動力經(jīng)濟(jì)性的仿真及續(xù)駛里程的敏感性分析和優(yōu)化。動力經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果見表3 所示。

表3 整車動力經(jīng)濟(jì)性仿真分析結(jié)果匯總表

4 續(xù)駛里程影響因素敏感性仿真分析

由式（16）可知，最終的續(xù)航里程的數(shù)學(xué)模型為：

由式（17）可知，影響續(xù)駛里程的因素為：最高車速、測試質(zhì)量、風(fēng)阻、輪胎滾阻、驅(qū)動電機(jī)效率、能量回收率、低壓附件功耗損失、DCDC 轉(zhuǎn)換效率和電池充電效率。速比影響電機(jī)在CLTC-C 工況下運(yùn)行點(diǎn)，間接影響了驅(qū)動電機(jī)的效率，故驅(qū)動電機(jī)的效率不僅包括電機(jī)本體的效率，電機(jī)電控效率的效率，還包括電機(jī)不同速比下的工況效率。為分析各個(gè)因素對續(xù)駛里程的影響，本文按表4 設(shè)置了仿真分析矩陣，將表1 和表2 輸入到整車動力經(jīng)濟(jì)性仿真模型中，利用AMEsim 的批處理仿真功能進(jìn)行仿真。仿真時(shí)需保持單一變量輸入，其他參數(shù)保持不變，仿真續(xù)航結(jié)果變化平均比例如表4 所示。續(xù)航變化平均比例是負(fù)值，說明該因素按仿真輸入列表變化時(shí)續(xù)航結(jié)果是減少的。

表4 仿真續(xù)航變化平均比例結(jié)果匯總表

根據(jù)上述敏感性分析結(jié)果表，形成項(xiàng)目可執(zhí)行清單，輸入項(xiàng)目開發(fā)中，將此形成可執(zhí)行清單?？蓤?zhí)行清單中，測試質(zhì)量降低50 kg，風(fēng)阻系數(shù)減少0.1，滾阻系數(shù)降低5.0‰，電機(jī)效率平均提升1%，能量回收率提升10%，低壓功耗降低0.020 kW·h，最高車速、DCDC 效率和電池充電效率以及主減速比保持不變，輸入到整車動力經(jīng)濟(jì)性仿真模型中，CLTC-C 工況下續(xù)航里程提升6.6%。

5 結(jié)束語

本研究為解決輕型商用車驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)匹配方法不夠系統(tǒng)的問題以及滿足續(xù)航里程提升的需求，建立了對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和整車仿真模型，進(jìn)行了多個(gè)參數(shù)單一變量的敏感性分析，結(jié)論如下。

（1）對后驅(qū)純電動商用車驅(qū)動系統(tǒng)性能參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，建立了續(xù)航提升的數(shù)學(xué)模型，按驅(qū)動系統(tǒng)性能參數(shù)理論匹配結(jié)果進(jìn)行了整車動力經(jīng)濟(jì)性仿真，模型仿真結(jié)果滿足動力經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)值。

（2）按驅(qū)動系統(tǒng)性能參數(shù)匹配理論找出了影響續(xù)駛里程的影響因素，并進(jìn)行了敏感性仿真分析。分析得到了整車最高車速、測試質(zhì)量、風(fēng)阻、滾阻及電機(jī)效率、能量回收率、低壓附件功耗損失、DCDC 轉(zhuǎn)換效率、電池充電效率以及速比變化對續(xù)駛里程影響的具體比例，形成了項(xiàng)目可執(zhí)行清單。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際開發(fā)匹配，CLTC-C 工況下整車?yán)m(xù)航里程仿真提升6.6%。

（3）驅(qū)動系統(tǒng)性能參數(shù)匹配理論和敏感性分析的結(jié)果為整車廠提升續(xù)駛里程提供了理論指導(dǎo)和項(xiàng)目開發(fā)具體工作清單，對整車廠純電動汽車?yán)m(xù)駛里程提升工作具有一定的參考價(jià)值。

后續(xù)將進(jìn)一步開展整車滑阻測試、動力性測試和實(shí)車測試單一變量對續(xù)航里程的影響結(jié)果及續(xù)航里程的能量流測試，完善仿真模型層級，綜合優(yōu)化提升實(shí)車?yán)m(xù)航里程。