徐世福 馮潮星 田曉瑞 金丹

（陜西保利特種車制造有限公司，西安710200）

主題詞：動力系統(tǒng) 驅(qū)動電機(jī) 磷酸鐵鋰動力電池 自動變速器(AMT) 整車控制器

縮略語

1 前言

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出和汽車節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展，新能源汽車在市場上滲透速度加快，主要以純電動汽車為代表的汽車產(chǎn)業(yè)電動化發(fā)展特征明顯。純電動汽車技術(shù)關(guān)鍵是提高續(xù)駛里程和動力性能，零排放、節(jié)能性、環(huán)保性和智能化特征是純電動汽車可持續(xù)發(fā)展的驅(qū)動力。目前，純電動汽車傳動動力系統(tǒng)存在動力性差、車速適應(yīng)范圍窄、電機(jī)效率低、價格高和體積大的問題。

電控機(jī)械自動變速器（Automated Mechanical Transmission, AMT）可以使驅(qū)動電機(jī)處于高效運(yùn)行區(qū)間，經(jīng)濟(jì)性、動力性及車速改善顯著，這對于商用車節(jié)能減排的意義重大，對于實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的貢獻(xiàn)巨大。采用AMT 傳動形式的純電動車可以有效解決商用車技術(shù)的難點(diǎn)，同時進(jìn)一步提高換擋的操控性。

2 純電動商用車動力系統(tǒng)匹配

2.1 純電動商用車基本參數(shù)及設(shè)計(jì)要求

純電動商用車動力系統(tǒng)主要由4 部分組成：驅(qū)動電動機(jī)、動力電池、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)由AMT、傳動軸、驅(qū)動橋和輪胎組成，控制系統(tǒng)主要由整車控制器、電機(jī)控制器、AMT 控制器（TCU）和動力電池控制器組成。AMT 與驅(qū)動電機(jī)同軸連接，AMT 可以調(diào)速、增扭矩，具有小功率電機(jī)驅(qū)動大載荷的特性。動力系統(tǒng)布置如圖1所示，整車基本參數(shù)見表1。

圖1 純電動商用車的動力系統(tǒng)構(gòu)架

表1 純電動商用車整車基本性能及設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 驅(qū)動電機(jī)匹配

永磁同步驅(qū)動電機(jī)的特點(diǎn)是效率高、節(jié)能性好、轉(zhuǎn)矩大、駐坡啟動較容易、平滑調(diào)速、操作平穩(wěn)、體積和質(zhì)量小、功率密度高和維修簡單的特性。因此，選擇永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)是最佳方案。

純電動車的驅(qū)動電機(jī)決定著整車動力性能和經(jīng)濟(jì)性。最高車速、最大爬坡度和最大加速度是選擇驅(qū)動電機(jī)的關(guān)鍵因素。

2.2.1 滿足最高車速要求的驅(qū)動電機(jī)功率的確定

最高車速是車輛動力性的重要指標(biāo)，也是車輛設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。車輛最高車速下驅(qū)動電機(jī)的最高功率為：

式中，P為最高車速功率；為最高車速；為總質(zhì)量；為重力加速度；為滾動阻力系數(shù)；C為風(fēng)阻系數(shù)；為迎風(fēng)面積；η為傳動總效率。

2.2.2 滿足最大爬坡要求的電機(jī)功率的確定

最大爬坡度是車輛動力性的重要指標(biāo)，也是車輛設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。車輛最大爬坡度下的最大功率為：

式中，P為最大功率；為坡度角；為最低速度。

2.2.3 滿足加速時間要求的電機(jī)功率的確定

加速時間是車輛動力性的重要指標(biāo)，也是車輛設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。從0～50 km/h的加速需要的最大功率為：

式中，P為滾動阻力功率；P為空氣阻力功率；P為加速阻力功率；為車速；為總質(zhì)量；為重力加速度；為滾動阻力系數(shù)；C為風(fēng)阻系數(shù)；為迎風(fēng)面積；η為傳動總效率；d/d為加速度；為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

2.2.4 計(jì)算結(jié)果

（1）當(dāng)最高車速為100 km/h 時，所需的最大功率P為145 kW。

（2）當(dāng)車速大于10 km/h（坡度30%）時，所需要的功率P為126 kW。

（3）當(dāng)車速從0 加速到50 km/h，所需的功率P為175kW。

根據(jù)整車性能設(shè)計(jì)要求，選擇驅(qū)動電機(jī)峰值功率取最大值，即：

為了滿足整車性能，同時考慮到純電動商用車附加功率需求，主要包括電動轉(zhuǎn)向泵功率、電動氣泵功率、AMT 電動換擋電機(jī)功率、電動空調(diào)壓縮機(jī)功率，最后確定的整車總功率需求為185 kW。

2.2.5 驅(qū)動電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩的確定

根據(jù)車輛設(shè)計(jì)要求驅(qū)動電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩，即：

式中，為驅(qū)動電機(jī)最大扭矩；為輪胎滾動半徑；為總質(zhì)量；為重力加速度；為滾動阻力系數(shù)；為最大傳動比；η為傳動總效率。

當(dāng)以滿載行駛時，驅(qū)動電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩需求為725 N·m，綜合考慮附件對功率的需求，額定功率定選擇為100 kW。根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及電機(jī)選擇要求可知：

式中，為驅(qū)動電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；為最高車速；為最小傳動比；為滾動半徑。

通過計(jì)算可知驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min（見表2）。

根據(jù)設(shè)計(jì)車輛設(shè)計(jì)要求，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系公式為：

式中，為弱磁倍率，取值范圍1.2≤3.5，本方案取2.15；n為額定轉(zhuǎn)速；n為峰值轉(zhuǎn)速。

驅(qū)動電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩為：

式中，T峰值轉(zhuǎn)矩；P為峰值功率；n為額定轉(zhuǎn)速。

帶入數(shù)據(jù)，求得：T=1 070 N·m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果及設(shè)計(jì)要求，最終選擇驅(qū)動電機(jī)的具體參數(shù)要求如表2所示。

表2 驅(qū)動電機(jī)基本參數(shù)

2.3 AMT的參數(shù)匹配

純電動商用車變速器采用AMT自動變速器，可以滿足車輛低速爬坡、最高車速、經(jīng)濟(jì)高效區(qū)域的要求。采用永磁同步驅(qū)動電機(jī)與AMT 構(gòu)成總成的傳動方案，使車輛動力性強(qiáng)、可靠性高、電耗低，能夠較大幅度提升車輛的駕駛舒適性和運(yùn)營效益，4擋AMT目前是行業(yè)主流、成熟的、可靠性很高的自動變速器，使用范圍廣，可以滿足低擋良好爬坡性和高擋高速性的要求，所以選擇4 擋AMT 自動變速器，額最大輸入扭矩達(dá)1 150 N·m，最高輸入轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。

確定最大傳動比的主要影響是最大爬坡度、附著率和汽車最低穩(wěn)定車速。

最大傳動比為：

式中，Σ總傳動比；為最大速比；為主減速比；η為傳動效率；T為最大轉(zhuǎn)矩。

通過計(jì)算可知：≤8.324，≥3.786，總傳動比Σ=19.7。i為最大速比；i為主減速比；主減速比i=5.286，即AMT變速器速比i=3.727（表3）。

表3 AMT變速器速基本參數(shù)

3 動力電池的參數(shù)匹配

磷酸鐵鋰電池特點(diǎn)是電壓高、密度大、循環(huán)次數(shù)多、安全性高、自放電率小。選取的動力電池組參數(shù)和性能對車輛的動力性和續(xù)駛里程有非常大的影響。動力電池組的主要參數(shù)有電壓等級、額定容量、充放電倍率和使用溫度范圍，其數(shù)值的確定取決于電池的功率因素和能量因素，在選定動力電池組的高壓平臺等級時，不僅要保證電機(jī)和其它輔助電器件的電壓范圍相一致，還要保證動力電池組的放電功率能夠達(dá)到驅(qū)動電機(jī)工作時所需功率的要求，還要滿足車輛設(shè)定的續(xù)駛里程的需求。

3.1 動力電池組容量計(jì)算

動力電池組的容量需要綜合考慮車輛設(shè)定的行駛里程需要消耗的能量，同時要考慮比功率、比能量、能量效率、放電水平和循環(huán)壽命水平。一般情況下先按照車輛在勻速行駛100 km 工況下消耗的能量來確定。需求的功率為：

式中，P為等速功率；為車速；為總質(zhì)量；為重力加速度；為滾動阻力系數(shù)；C為風(fēng)阻系數(shù)；為迎風(fēng)面積；η為傳動總效率。

按照=50 km/h；帶入得=46.6 kW。動力電池組能量為：

式中，為動力電池組實(shí)際續(xù)駛能量，為續(xù)駛里程，為續(xù)駛時間。

計(jì)算得出=93.2 kW·h；

式中，按照消耗的電量20%計(jì)算；ξ有效放電容量系數(shù)按0.8計(jì)算。

通過計(jì)算可知：=32 kW·h。

式中，為電池組總能量；為電池組電壓；為電池組容量。

計(jì)算可知電池額定容量為=315 A·h，磷酸鐵鋰動力電池基本參數(shù)見表4。

3.2 動力電池組數(shù)目選擇

根據(jù)鋰電池的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，動力電池組一般都是由眾多單體電芯通過串、并聯(lián)組合的方式組成，成組后滿足續(xù)駛里程時的能量為：

式中，為電池單體個數(shù)；為單體電池工作電壓；為單體電池容量；η為電池組平均放電效率。

根據(jù)上述公式確定的電池基本參數(shù)見表4。

表4 磷酸鐵鋰動力電池基本參數(shù)

4 整車控制器系統(tǒng)參數(shù)匹配

整車一體化控制器系統(tǒng)根據(jù)駕駛員的駕駛意圖、整車行駛狀態(tài)和整車各零部件（包含AMT、驅(qū)動電機(jī)、動力電池等）的運(yùn)行狀態(tài)，來實(shí)現(xiàn)車輛的自動起步、自動換擋和決定驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出、高壓電的閉合和斷開、電機(jī)啟動或停機(jī)操作。整車控制器系統(tǒng)主要包括驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動器、AMT、動力電池控制器、電動轉(zhuǎn)向助力油泵驅(qū)動器、永磁同步電機(jī)驅(qū)動器、電動氣泵驅(qū)動器、DC/DC 控制器、絕緣監(jiān)測儀控制器、電動空調(diào)壓縮機(jī)、高壓倉（快充、電加熱、上裝的高壓配電）。

4.1 整車控制器系統(tǒng)構(gòu)架及策略

整車控制器是控制系統(tǒng)的核心，承擔(dān)了駕駛員意圖、數(shù)據(jù)交互管理、安全故障管理、能量流管理分配的任務(wù)。對車輛的動力性、安全性和經(jīng)濟(jì)性有決定性的作用，整車控制器實(shí)時動態(tài)檢測關(guān)鍵部件的運(yùn)行情況，并及時對出現(xiàn)的情況進(jìn)處理，保證車輛運(yùn)行良好的狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)信息共享和全局控制，改善駕駛舒適性。整體構(gòu)架及策略如圖2所示。

圖2 整車控制器系統(tǒng)構(gòu)架及策略

4.1.1 驅(qū)動電機(jī)控制器電氣參數(shù)

驅(qū)動電機(jī)控制器是通過對驅(qū)動電機(jī)電流、電壓進(jìn)行控制，是控制驅(qū)動電機(jī)與動力電池之間的能量轉(zhuǎn)換裝置，主要功能是根據(jù)檔位、電動踏板、剎車指令，將動力電池儲存的電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電機(jī)的電能，來控制電動汽車的啟動、運(yùn)行、進(jìn)退、爬坡和制動能量回收（表5）。

表5 驅(qū)動電機(jī)控制器電氣參數(shù)

4.1.2 電動轉(zhuǎn)向泵控制器電氣參數(shù)

電動轉(zhuǎn)向泵控制器是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要組成部分，通過電機(jī)控制器控制車輛的轉(zhuǎn)向泵，按駕駛員意圖控制車輛行駛的方向，同時要確保轉(zhuǎn)向的靈活性、操控性、穩(wěn)定性和舒適性（表6）。

表6 電動轉(zhuǎn)向泵控制器電氣參數(shù)

4.1.3 電動空壓機(jī)控制器電氣參數(shù)

電動空壓機(jī)控制器是通過控制純電動車獨(dú)立氣泵的空氣壓縮機(jī)，來實(shí)現(xiàn)給車輛提供制動以及控制部件的氣源，通過變頻控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出壓力控制的方法，參如表7所示。

表7 電動空壓機(jī)控制器電氣參數(shù)

4.1.4 DC/DC電氣參數(shù)

DC/DC 變換器作為電動汽車動力系統(tǒng)中重要部分，DC/DC 系統(tǒng)由功率模塊、驅(qū)動模塊、控制模塊組成，功能是為動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、空調(diào)和其它輔助設(shè)備提供所需的電源，參數(shù)如表8所示。

表8 DC/DC電氣參數(shù)

4.1.5 絕緣監(jiān)測儀

絕緣監(jiān)測儀是一種針對電源系統(tǒng)主線及分路的進(jìn)行在線實(shí)時檢測絕緣狀態(tài)進(jìn)行管理的裝置，具有高可靠性、高安全性、人性化的特點(diǎn)，主要作用是電流電壓狀態(tài)監(jiān)測及故障報警、絕緣狀態(tài)監(jiān)測及故障報警、實(shí)時接地回路監(jiān)測、系統(tǒng)電流檢測診斷、回路絕緣分級預(yù)警、接地歷史記錄分析、電壓平衡功能、蓄電池回路監(jiān)測功能、系統(tǒng)分布電容檢測功能、交直流電壓監(jiān)控，參數(shù)如表9所示。

表9 絕緣監(jiān)測儀

4.2 AMT控制系統(tǒng)

TCU接受到整車控制器的信號，通過轉(zhuǎn)換輸出信號，控制AMT 換擋電機(jī)實(shí)現(xiàn)選擋、離合器分離和結(jié)合進(jìn)行聯(lián)合操縱，離合執(zhí)行機(jī)構(gòu)和選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收從TCU 傳輸過來的信號實(shí)現(xiàn)傳動力的中斷、擋位變換、傳動力的恢復(fù)一系列快速的過程。驅(qū)動換擋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同工況、不同負(fù)載、不同車速下的自動換擋目的，從而滿足車輛使用要求，AMT 控制系統(tǒng)參數(shù)見表10。

表10 AMT自動變速器控制系統(tǒng)電氣參數(shù)

4.3 動力電池控制器電氣參數(shù)

動力電池控制器通過控制動力電池，對動力電池進(jìn)行系統(tǒng)管理及故障監(jiān)測，最終轉(zhuǎn)換輸出不同的電壓和電流，將滿足不同的系統(tǒng)要求，從而實(shí)現(xiàn)對純電動商用車整車供電，實(shí)現(xiàn)高低壓控制管理、電池?zé)峁芾砗碗姵毓收显\斷，滿足車輛使用的安全性、可靠性和動力性要求，動力電池控制器基本參數(shù)見表11。

表11 動力電池控制器電氣參數(shù)

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

將試驗(yàn)樣車在C-WTVC 循環(huán)工況（GB/T 27840—2021）下進(jìn)行整車性能測試，結(jié)果如表12所示。

表12 車輛設(shè)計(jì)與試驗(yàn)性能指標(biāo)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知：純電動商用車動力系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)及選擇滿足車輛實(shí)際工況使用要求，整車總體性能指標(biāo)已經(jīng)優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，車輛可靠性、安全性、穩(wěn)定性良好，可以達(dá)到用戶實(shí)際使用要求，同時車輛進(jìn)行批量生產(chǎn)和車輛進(jìn)行實(shí)際使用中產(chǎn)品性能良好，可靠性、安全性、穩(wěn)定性良好。

6 結(jié)論

針對純電動商用車客戶使用要求，根據(jù)整車設(shè)計(jì)指標(biāo)，對驅(qū)動電機(jī)、AMT、動力電池、整車控制器、AMT控制器和動力電池控制器進(jìn)行匹配研究，進(jìn)一步優(yōu)化性能并進(jìn)行性能驗(yàn)證。達(dá)到車輛的設(shè)計(jì)動力性和續(xù)駛里程目標(biāo)，滿足車輛使用要求，重新匹配設(shè)計(jì)驅(qū)動電機(jī)、AMT 和動力電池系統(tǒng)之間的參數(shù)，提高了車輛經(jīng)濟(jì)性。

車輛使用中可以實(shí)現(xiàn)高可靠性、高動力性、耗電低和清潔環(huán)保的目的，采用低轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速電機(jī)，拓寬電機(jī)高效區(qū)，增大爬坡度，實(shí)現(xiàn)車輛工作在高效區(qū)。此外，車輛具有運(yùn)行噪音低、運(yùn)行平穩(wěn)、保養(yǎng)維護(hù)便利、維護(hù)時間短和維護(hù)成本低的優(yōu)勢。