電動(dòng)輕型載貨車匹配電驅(qū)橋方案及仿真分析

1 前言

根據(jù)《2020年新能源汽車推廣補(bǔ)貼方案及產(chǎn)品技術(shù)要求》，純電動(dòng)載貨車補(bǔ)貼要求單位載質(zhì)量能量消耗量（E?kg）不大于0.29 W·h/km·kg，動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度不低于125 W·h/kg，純電動(dòng)續(xù)駛里程不低于80 km。根據(jù)近幾年補(bǔ)貼要求中E?kg加嚴(yán)趨勢(shì)，如圖1。結(jié)合現(xiàn)有新能源技術(shù)發(fā)展水平預(yù)測(cè)為滿足2021—2022年補(bǔ)貼要求，E?kg設(shè)定目標(biāo)不大于0.27 W·h/km·kg。

圖1?單位載質(zhì)量能量消耗量(E?kg)變化趨勢(shì)

計(jì)算公式如式（1）：

式中，E表示電能消耗率，按照電動(dòng)汽車GB/T 18386—2017《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》[1]在等速法下測(cè)量獲得的；M表示附加質(zhì)量。按照GB/T 18386檢測(cè)試驗(yàn)中的附加質(zhì)量規(guī)定執(zhí)行。

降低E?kg的值可以通過降低E值或提高M(jìn)值來實(shí)現(xiàn)，即降低電能消耗率或者提高載質(zhì)量（或降低整備質(zhì)量）。

提升電驅(qū)動(dòng)效率是降低電能消耗率的路徑之一，目前電機(jī)和電機(jī)控制器的綜合效率可提升的空間已經(jīng)非常有限，但電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率的提升仍有一定發(fā)展空間。目前，輕型載貨車主流電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)路線主要有3種：電機(jī)直驅(qū)、電機(jī)加減速器和電驅(qū)橋方案。電機(jī)直驅(qū)方案特點(diǎn)是傳動(dòng)效率較高、故障率低、扭矩需求大，因此電機(jī)成本高。電機(jī)加減速器方案中電機(jī)的扭矩低，但是傳動(dòng)效率則不如直驅(qū)的高。電驅(qū)橋方案具有傳動(dòng)效率高、質(zhì)量低和成本低的特點(diǎn)。電驅(qū)橋方案幾乎適用于2.5～18 t的純電動(dòng)載貨車型。

本文主要研究電動(dòng)輕型載貨車匹配電驅(qū)橋方案及仿真分析。

2 電驅(qū)橋參數(shù)匹配

2.1 整車基本參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)

目標(biāo)車型M-EB基于M-2019款做改款優(yōu)化，采用電驅(qū)橋方案取代電機(jī)直驅(qū)方案。M-2019基礎(chǔ)車E?kg為0.29 W·h/km·kg，M-EB改款產(chǎn)品整車整備質(zhì)量降為2 800 kg，E?kg設(shè)計(jì)目標(biāo)不大于0.27 W·h/km·kg，并滿足動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求。具體整車基本參數(shù)、主要技術(shù)指標(biāo)需求與參考標(biāo)準(zhǔn)分別見表1、表2。

表1 整車基本參數(shù)

表2 主要技術(shù)指標(biāo)需求與參考標(biāo)準(zhǔn)

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配設(shè)計(jì)

車輛動(dòng)力性是衡量汽車性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，主要由3方面的指標(biāo)來評(píng)價(jià)：最高車速、最大爬坡度和加速性能[3]。

根據(jù)汽車?yán)碚?，汽車的功率平衡關(guān)系方程式（2）：

式中，Pv為車輛功率，kw，ηt為傳動(dòng)效率，m為整備質(zhì)量；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；i為道路坡度；Cd為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；ua為車速。

最高車速對(duì)應(yīng)車輛功率需求計(jì)算公式（3）：

式中，u?max為車輛最高車速，90 km/h。

最大爬坡度對(duì)應(yīng)車輛功率需求計(jì)算公式（4）：

式中，αm為爬坡角度。

加速時(shí)間采用恒功率加速計(jì)算的方法，根據(jù)推導(dǎo)出的加速過程所需功率P3[4]，即式（5）：

式中，tm為加速時(shí)間，取16 s；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.15。

利用上述公式，可得到各動(dòng)力性指標(biāo)對(duì)應(yīng)的車輛功率需求，具體見表3。

表3?驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)需求分析

由車輛功率平衡關(guān)系可知，電機(jī)的峰值功率必須同時(shí)滿足整車動(dòng)力性指標(biāo)功率需求，則峰值功率至少為93.4 kW，額定功率至少47.8 kW。

結(jié)合輕型載貨車的場(chǎng)景特點(diǎn)及提高應(yīng)對(duì)惡劣工況的能力，取過載系數(shù)為1.2，即額定功率不小于57.4 kW，峰值功率不小于112.1 kW。結(jié)合體系資源成熟度及競(jìng)品同類車型產(chǎn)品配置信息，最終選定驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率參數(shù)：額定功率65.0 kW，峰值功率120.0 kW。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)較大的恒功率區(qū)可以改善車輛的動(dòng)力性，在兼顧低速爬坡能力的同時(shí)提高最高車速。額定功率相同的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速越高，體積越小。普通高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般為10 000～15 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速初步設(shè)定為12 000 r/min，如式（6）。

式（6）中：β為恒功率系數(shù)，一般取2～3，取3；n?max為最高轉(zhuǎn)速；ne為額定轉(zhuǎn)速。則ne取4 000 r/min。

由公式（7）計(jì)算峰值轉(zhuǎn)矩為286.5 N·m，額定轉(zhuǎn)矩為155.2 N·m。

目前市場(chǎng)上的電動(dòng)汽車主要采用的是永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)。永磁同步電機(jī)在瞬態(tài)有較高的效率（95%左右），同時(shí)有著更高的功率密度，因此適用于頻繁起停的工況；而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)更適合在高速工況條件下使用[5]。

2.3 電驅(qū)橋傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)

電驅(qū)橋的傳動(dòng)比要同時(shí)滿足車輛最高車速、最大爬坡度以及對(duì)加速時(shí)間的要求[6]。

傳動(dòng)比的上限，由電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速和最高行駛速度確定，見公式（8）。

傳動(dòng)比的下限，由電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩滿足最高車速的要求，式（9）和電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩滿足最大爬坡的要求，式（10）共同確定。根據(jù)以上確定傳動(dòng)比取值范圍

由于傳動(dòng)比越大，同噸級(jí)后橋的傳動(dòng)齒輪半徑越大，后橋重量越大，且通過性越差。結(jié)合資源情況，初步選定傳動(dòng)比為16.19。當(dāng)滿足最大爬坡度要求，峰值轉(zhuǎn)矩需求計(jì)算如公式(11)：

由式（11）得Tm=283.0 N·m，峰值轉(zhuǎn)矩為286.5 N·m滿足要求；但是考慮到輕型載貨車惡劣的工況適應(yīng)能力，預(yù)留20%的后備轉(zhuǎn)矩，即峰值轉(zhuǎn)矩設(shè)定不小于340.0 N·m。

最終結(jié)合輕型載貨車實(shí)際使用工況、車輛結(jié)構(gòu)、體系資源成熟度及上述性能需求參數(shù)，初步選定驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)如表4。

表4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

2.4 動(dòng)力電池匹配設(shè)計(jì)

純電動(dòng)汽車行駛完全依賴動(dòng)力電池的能量，基礎(chǔ)車型為81.14 kW·h磷酸鐵鋰電池，其具有比能量高，大功率充放電以及長(zhǎng)循環(huán)壽命等特性。按照設(shè)計(jì)要求，動(dòng)力電池需滿足車輛40 km/h等速續(xù)駛里程250 km以上。由式（12）可計(jì)算電量需求：

不考慮低壓電器損耗，EB不小于72.8 kW·h?；A(chǔ)車型電量為81.14 kW·h，滿足現(xiàn)有車型續(xù)駛里程和功率需求，故動(dòng)力電池可直接借用，具體參數(shù)如表5。

表5 動(dòng)力電池參數(shù)

3 仿真分析

3.1 系統(tǒng)建模

AVL CRUISE軟件是用于研究車輛動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能與制動(dòng)性能的高級(jí)仿真分析工具。基于CRUISE平臺(tái)，參照整車參數(shù)以及選定的電驅(qū)橋系統(tǒng)和動(dòng)力電池，建立整車模型。整車模型完成后，建立部件模塊之間機(jī)械連接與數(shù)據(jù)信號(hào)之間電氣連接[7]。最終純電動(dòng)輕型載貨車整車系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

圖2?純電動(dòng)輕型載貨車系統(tǒng)仿真模型

3.2 仿真分析

3.2.1 電驅(qū)橋傳動(dòng)比的仿真分析

首先通過CRUISE模型分別仿真運(yùn)算，分析不同電驅(qū)橋傳動(dòng)比取值下車輛模型的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，確定最優(yōu)傳動(dòng)比。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)及電驅(qū)橋傳動(dòng)比的選取計(jì)算公式，確定取值范圍并間隔取值，進(jìn)行仿真分析，具體結(jié)果如表6。

表6?不同傳動(dòng)比仿真結(jié)果

根據(jù)藍(lán)牌輕型載貨車高速最高限速要求為100 km/h，故傳動(dòng)比大于16.19的變速器不適合目標(biāo)車型實(shí)際使用需求；結(jié)合行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品功性能指標(biāo)和輕型載貨車場(chǎng)景工況特征，輕型載貨車應(yīng)滿足最大爬坡度大于30%的要求，故i不小于14.70。通過仿真數(shù)據(jù)結(jié)果分析，傳動(dòng)比越小，車輛40 km/h等速工況下電能消耗率越小，越有利于E?kg目標(biāo)的達(dá)成。且傳動(dòng)比取值14.50～15.00時(shí)，車輛0～80 km/h加速性能最優(yōu)。結(jié)合現(xiàn)有體系資源、成本和性能需求，故最終選定電驅(qū)橋的最優(yōu)傳動(dòng)比為14.70。

3.2.2 經(jīng)濟(jì)性仿真分析

仿真數(shù)據(jù)40 km/h等速能耗為222.9 W·h/km，詳見表7。

表7 40 km/h等速工況能耗仿真數(shù)據(jù)

仿真數(shù)據(jù)C-WTVC工況能耗為323.5 W·h/km，詳見表8。

表8 C-WTVC工況能耗仿真數(shù)據(jù)

經(jīng)計(jì)算E?kg為0.263 W·h/km·kg，均滿足目標(biāo)車型經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)要求，見表9。

表9?經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

3.2.3 動(dòng)力性仿真分析

最高車速：在電機(jī)轉(zhuǎn)速11 407 r/min時(shí)，車輛達(dá)到最高車速110 km/h，如表10。

表10?最高車速仿真數(shù)據(jù)

最大爬坡度：最大爬坡度為30.2%，在電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)間獲得；10 km/h和50 km/h最大爬坡度分別為29.86%和15.17%，見圖3。

圖3?爬坡度仿真數(shù)據(jù)

加速性能：0～80 km/h加速時(shí)間為12.7 s，見圖4。

圖4?加速性能仿真數(shù)據(jù)

根據(jù)以上動(dòng)力性仿真結(jié)果，目標(biāo)車型電驅(qū)橋系統(tǒng)滿足動(dòng)力性設(shè)計(jì)要求，見表11。

表11 動(dòng)力性仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

根據(jù)仿真結(jié)果，該電驅(qū)橋系統(tǒng)能夠滿足GB/T 18386—2017規(guī)定的E?kg不大于0.27 W·h/km·kg的設(shè)計(jì)目標(biāo)；滿足GB/T 18385—2005規(guī)定的動(dòng)力性設(shè)計(jì)指標(biāo)。且相比M-2019車型電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠降低物料（BOM）成本2 000元左右，降低質(zhì)量100 kg左右，驅(qū)動(dòng)效率提升4%。并且動(dòng)力性相比電機(jī)直驅(qū)方案提升6%以上。

以上數(shù)據(jù)結(jié)論是基于現(xiàn)有開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)結(jié)論進(jìn)行參數(shù)匹配及仿真模擬，和實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)有一定差異，未來需要進(jìn)行樣車試制，進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證分析。雖然集成式的電驅(qū)橋方案能夠縮減尺寸、降低質(zhì)量、降低成本和降低車輛的復(fù)雜度，但其中的挑戰(zhàn)也很大，如選擇高速電機(jī)的電驅(qū)橋系統(tǒng)可能會(huì)引發(fā)一系列系統(tǒng)問題：像電機(jī)轉(zhuǎn)速提高會(huì)帶來NVH的挑戰(zhàn)；跨零部件開發(fā)協(xié)同難度增加；電氣系統(tǒng)跟機(jī)械系統(tǒng)之間的關(guān)系、邊界條件、安全、冷卻、壽命和可靠性問題，都需要試驗(yàn)驗(yàn)證及系統(tǒng)化解決[8]。

審核編輯：劉清