趙強(qiáng) 孫楠楠 王曉艷 賈德民 王聰 韓凱

摘要：基于某電動皮卡整車性能需求，計算匹配動力系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的性能參數(shù)，利用Cruise M軟件搭建仿真模型并進(jìn)行模型驗證，輸入仿真工況對基礎(chǔ)傳動系統(tǒng)模型計算，得到該模型在中國輕型商用車測試循環(huán)（China light-duty vehicle test cycle-commercial，CLTC-C）工況的耗電量、0～100 km/h的加速時間和最大爬坡度；在兼顧經(jīng)濟(jì)性和動力性的前提下，研究傳動比對整車性能的影響規(guī)律，提出2種驅(qū)動電機(jī)優(yōu)化方案，在傳動比為11.8時對比驅(qū)動電機(jī)優(yōu)化前后車輛的性能。結(jié)果表明：基礎(chǔ)方案下，CLTC-C工況的耗電量為3.286 kW·h，0～100 km/h的加速時間為13.33 s，最大爬坡度為33.5%，無法滿足整車性能指標(biāo)要求；隨著傳動比增加，整車動力性能改善，但經(jīng)濟(jì)性能降低；傳動比為11.8時，與基礎(chǔ)方案相比，方案一的電機(jī)峰值效率提高了1.15%，峰值轉(zhuǎn)矩提高了60 N·m，峰值功率提高了20 kW，方案一車輛的動力性能得到提高且滿足指標(biāo)要求，經(jīng)濟(jì)性能得到提高但仍然無法滿足指標(biāo)要求；方案二的電機(jī)峰值效率提高了0.2%，峰值轉(zhuǎn)矩提高了15 N·m，峰值功率提高了21 kW，方案二的動力性能和經(jīng)濟(jì)性能均得到提高且滿足指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：電動皮卡；動力性；經(jīng)濟(jì)性；傳動比；驅(qū)動電機(jī)

中圖分類號：U469.72文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-6397（2024）02-0019-09

引用格式：趙強(qiáng)，孫楠楠，王曉艷，等.某電動皮卡動力系統(tǒng)匹配與性能優(yōu)化［J］.內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2024，41（2）：19-27.

ZHAO Qiang，SUN Nannan，WANG Xiaoyan，et al.Matching of power system and optimization of performance on an electric pickup［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（2）：19-27.

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，我國對資源的需求不斷增加，據(jù)統(tǒng)計，我國已成為全球最大的石油進(jìn)口國，石油資源對外依賴度超過70%；另外，燃油汽車給環(huán)境帶來的壓力越來越大，發(fā)展新能源汽車是實現(xiàn)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路^[1]。據(jù)統(tǒng)計，2022年全國新能源汽車銷量為527.5萬輛，同比增長80.1%，呈高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)^[2]，其中皮卡市場正在逐漸升溫，全年銷量達(dá)51萬輛。整車動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)匹配結(jié)果決定整車性能^[3-4]，在純電動汽車性能參數(shù)匹配與優(yōu)化方面的研究較多：劉璐明^[5]以某款純電動城市客車為研究對象，對驅(qū)動電機(jī)和動力電池組參數(shù)進(jìn)行匹配設(shè)計；繆明雅^[6]按照某純電動汽車整車設(shè)計性能要求，對驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動方案、傳動比等主要部件進(jìn)行參數(shù)匹配，并通過AVL Cruise軟件進(jìn)行整車建模、仿真，對不同方案仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，確定最優(yōu)方案。

本文中基于某電動皮卡的整車性能指標(biāo)，研究電動車動力學(xué)分析方法，對純電皮卡整車動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行參數(shù)匹配，明確整車動力性和經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)，利用Cruise M軟件建立整車仿真模型，綜合考慮中國輕型商用車測試循環(huán)（China light-duty vehicle test cycle-commercial，CLTC-C）工況耗電量、續(xù)駛里程、加速性能、爬坡性能等技術(shù)指標(biāo)，分析所設(shè)計動力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能和動力性能，之后探索研究傳動比對整車性能的影響規(guī)律，對比分析不同驅(qū)動電機(jī)方案在整車性能中的表現(xiàn)，為后續(xù)整車性能優(yōu)化提供參考。

1 整車性能要求

某皮卡車型整車參數(shù)如表1所示。結(jié)合皮卡車型實際使用場景和消費者的需求，對整車動力系統(tǒng)核心零部件進(jìn)行合理設(shè)計，確定整車性能指標(biāo)如表2所示。

2 動力參數(shù)匹配

基于整車參數(shù)和性能設(shè)計指標(biāo)，運用電動汽車動力性分析方法進(jìn)行動力系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)匹配計算，確定電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、傳動比和電池容量。

2.1 電機(jī)功率

電機(jī)功率增大，汽車加速性能和爬坡性能提升，但電機(jī)功率過大，成本相應(yīng)增加，因此需通過計算確定電機(jī)功率。電機(jī)功率應(yīng)按照整車最高車速、爬坡能力和加速性能確定。

根據(jù)最高車速確定電機(jī)峰值功率P₁，計算式為：

式中：{P₁}為以kW為單位的電機(jī)峰值功率P₁的數(shù)值；{m}為以kg為單位的整車質(zhì)量m的數(shù)值；{g}為以m/s²為單位的重力加速度g的數(shù)值，取為9.8 m/s²；{u_max}為以km/h為單位的最大車速u_max的數(shù)值；{A}為以m²為單位的迎風(fēng)面積A的數(shù)值。

根據(jù)爬坡能力確定峰值功率P₂，計算式為：

式中：{P₂}為以kW為單位的P₂的數(shù)值；{u_a}為以km/h為單位的爬坡度為30%時爬坡車速u_a的數(shù)值；α為最大爬坡度對應(yīng)的坡度角，°。

根據(jù)加速性能確定峰值功率P₃，計算式為：

式中：{u_m}為以km/h為單位的車速由0加速至100 km/h的最終車速u_m的數(shù)值，u_m取100 km/h；{t_m}為以s為單位的0～100 km/h加速時間t_m的數(shù)值。

由式（1）（2）（3）可得：P₁=84.04 kW，P₂=116.44 kW，P₃=148.76 kW。

峰值功率P_max=max（P₁，P₂，P₃），則P_max=148.76 kW?？紤]附件損耗，可取P_max為170 kW。電機(jī)的額定功率P_e應(yīng)滿足最高車速的90%勻速巡航行駛的功率要求，即P_e=90%P₁=75.636 kW，選定P_e為80 kW。此時電機(jī)過載系數(shù)λ（電機(jī)峰值功率與額定功率的比，表征電機(jī)過載工作能力，一般取為2～3）為2.125，故滿足要求。

2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速

汽車用驅(qū)動電機(jī)一般是高速電機(jī)，綜合考慮功率密度、運行效率、電機(jī)質(zhì)量、可靠性等因素，選取最高轉(zhuǎn)速n_max為12 000 r/min。通常電機(jī)的擴(kuò)大恒功率區(qū)因數(shù)β的取值為2～4，β過大導(dǎo)致成本增加^[7]，選取額定轉(zhuǎn)速n_e為4 900 r/min。

2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩

電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩T_max的計算式為：

{T_max}=9 550{P_max}/{n_e} ，（4）

式中，{T_max}為以N·m為單位的電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩T_max的數(shù)值，{n_e} 為以r/min為單位的發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速n_e的數(shù)值，{P_max}為以kW為單位的P_max的數(shù)值。

由式（4）可得，T_max=331.33 N·m。

電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩T_e計算式為：

{T_e}=9 550{P_e}/{n_e} ，（5）

式中：{T_e}為以N·m為單位的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩T_e的數(shù)值，{P_e}為以kW為單位的電機(jī)額定功率P_e的數(shù)值。

由式（5）可得，T_e=155.92 N·m。

2.4 傳動比

由電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和最高行駛車速確定最小傳動比i_min，計算式為：

i_min=0.377{n_max}{r}/{u_max}。（6）

式中：{n_max}為以r/min為單位的電機(jī)最高轉(zhuǎn)速n_max的數(shù)值，{r}為以m為單位的車輪半徑r的數(shù)值。

由式（6）可得，i_min=11.00。

由最大爬坡度和最大轉(zhuǎn)矩確定最大傳動比

i_max={r}（{m}{g}fcos α+{m}{g}sin α）/（{T_max}η_t） 。（7）

由式（7）可得，i_max=12.69。

2.5 電池容量

根據(jù)續(xù)駛里程確定電池容量，車輛等速行駛所需功率P_ev的計算式為：

{P_ev}={u_ev}（{m}{g}f+C_D{A}{u²_ev}/21.15）/（3 600η_t），（8）

式中：{P_ev}為以kW為單位的車輛等速行駛所需功率P_ev的數(shù)值；{u_ev}為以km/h為單位的u_ev的數(shù)值，u_ev=60 km/h。

電力總量

W_ev=P_evS/（η_mu_ev），（9）

式中：η_m為機(jī)械傳動效率，取為0.9。

電池容量

C_ev=W_ev/U_ev，（10）

式中：U_ev為電池組平均工作電壓，V。

由式（8）可得，u_ev=60 km/h等速行駛時，P_ev=9.76 kW。根據(jù)要求，u_ev=60 km/h時，等速續(xù)駛里程S應(yīng)大于350 km，U_ev=380 V，由式（10）可得，C_ev=166.47 A·h，考慮附件損耗，可取C_ev為180 A·h。

3 基礎(chǔ)模型的建立與驗證

3.1 模型建立

利用Cruise M軟件中模塊構(gòu)建整車模型，根據(jù)當(dāng)前實車配置設(shè)置各模塊參數(shù)，以此作為基礎(chǔ)模型，輸入仿真工況，基礎(chǔ)模型中動力電池為磷酸鐵鋰電池，初始電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）為95%；選用永磁同步電機(jī)，峰值轉(zhuǎn)矩為340 N·m，峰值功率為151 kW，單擋減速器總傳動比為 11.80，建立的模型如圖1所示。對整車性能進(jìn)行仿真計算，評價車輛的經(jīng)濟(jì)性能和動力性能。

3.2 模型驗證

以CLTC-C循環(huán)工況為模型驗證工況^[8]，整個工況計算過程中車速仿真結(jié)果與CLTC-C循環(huán)設(shè)定車速隨時間的變化曲線基本重合，車速跟隨性好，實際車速與需求車速的偏差如圖2所示。由圖2可知：整個循環(huán)工況的最大速度偏差為0.67 km/h，精度（最大速度偏差與最高車速的比）為0.73%，因此該模型滿足計算精度要求。

3.3 評價指標(biāo)

電動汽車的主要性能通常從經(jīng)濟(jì)性和動力性兩方面評價，在保證電動汽車動力性前提下盡可能提高經(jīng)濟(jì)性。電動汽車經(jīng)濟(jì)性的評價指標(biāo)中，文獻(xiàn)[9]中規(guī)定測試工況主要包括標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況（本文中為CLTC-C循環(huán)工況）和u_ev=60 km/h等速巡航工況，根據(jù)文獻(xiàn)[10]給出的電動汽車動力性評價指標(biāo)，國標(biāo)中用汽車的最高車速、加速性能、最大爬坡度3個指標(biāo)評價整車的動力性能。

3.4 基礎(chǔ)模型計算

基于建立的整車動力系統(tǒng)基礎(chǔ)模型進(jìn)行CLTC-C循環(huán)工況計算，該模型單循環(huán)工況累計耗電量曲線如圖3所示，該循環(huán)工況下的電機(jī)運行工況在效率map上的落點統(tǒng)計如表3所示。

由圖3及表3可知：單循環(huán)工況整車耗電量為3.286 kW·h，電機(jī)效率在90%以上的工況落點占比為60.67%，電機(jī)效率在80%以上的工況落點占比為64.73%。電機(jī)整體運行效率較低導(dǎo)致整車經(jīng)濟(jì)性較低，無法達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。

基于建立的整車動力系統(tǒng)基礎(chǔ)模型，進(jìn)行全加速仿真計算，受電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)峰值轉(zhuǎn)矩、峰值功率的最大持續(xù)時間限制，動力性計算結(jié)果選取由靜止開始至30 s內(nèi)的數(shù)據(jù)^[11]，結(jié)果如圖4所示。

由圖4a）可知：在全加速過程中，整車加速先快后慢，50 km/h的加速時間為4.81 s，100 km/h的加速時間為13.33 s。由圖4b）可知：爬坡度為20.0%時，車輛先勻加速，之后加速度逐漸減小，前10 s的平均加速度為1.11 m/s²，第30秒時車速為71.08 km/h；爬坡度為25.0%時，車輛先勻加速，之后加速度逐漸減小，前10 s的平均加速度為0.69 m/s²，第30秒時車速為60.92 km/h；爬坡度為30.0%時，車輛接近勻加速，平均加速度為0.287 m/s²，第30秒時車速為29.93km/h；整車最大爬坡度為33.5%。根據(jù)仿真結(jié)果，該基礎(chǔ)模型無法達(dá)到動力性設(shè)計指標(biāo)。

4 方案對比與分析

4.1 傳動比計算

基于整車參數(shù)和設(shè)計指標(biāo)要求，結(jié)合電動汽車動力性分析方法計算得到的傳動比為11.00～12.96，本文中選取傳動比分別為11.00、11.40、11.80、12.20、12.69進(jìn)行整車經(jīng)濟(jì)性和動力性分析研究，傳動比對整車經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律如圖5所示。

由圖5a）可知：傳動比由11.00增加到12.69，CLTC-C工況耗電量由3.274 kW·h增加到3.303 kW·h，這是由于改變傳動比使得電機(jī)運行工況發(fā)生改變；電機(jī)循環(huán)平均效率（本文中電機(jī)循環(huán)平均效率指CLTC-C工況中整車非靜止?fàn)顟B(tài)下的電機(jī)運行效率的平均值）由84.59%降為83.86%。由圖5b）可知：傳動比由11.00增加到12.69，u_ev=60 km/h等速續(xù)駛里程由366.95 km降為360.95 km，這同樣與該車速對應(yīng)電機(jī)運行工況下的電機(jī)效率有關(guān)，該工況下電機(jī)效率由93.36%降為91.74%。根據(jù)仿真結(jié)果，通過傳動比優(yōu)化設(shè)計無法滿足經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)要求。

傳動比對整車動力性的影響規(guī)律如圖6所示。

由圖6a）、b）可知：傳動比由11.00增加到12.69，0～50 km/h的加速時間由5.13 s減少到4.51 s，0～100 km/h的加速時間由13.42 s減少到13.32 s，在第14.8秒時不同傳動比方案對應(yīng)的車速相等，為105 km/h；傳動比越大，車輛前期加速性能優(yōu)勢明顯，后期加速性能優(yōu)勢減弱。分析原因為：在電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，功率增加；在電機(jī)恒功率區(qū)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，功率不變或略有下降；傳動比增加，達(dá)到相同車速的過程中電機(jī)會更早地由恒轉(zhuǎn)矩區(qū)進(jìn)入恒功率區(qū)。

由圖6c）、d）可知：傳動比由11.00增加到12.69，當(dāng)爬坡度為30%時，第30秒時的爬坡車速由8.6 km/h增加到50.79 km/h；最大爬坡度由31.0%增加到36.5%。綜合以上分析，通過傳動比優(yōu)化設(shè)計可滿足動力性能指標(biāo)的要求。

4.2 不同電機(jī)對比

根據(jù)整車參數(shù)和整車性能指標(biāo)要求計算得到傳動比為11.00～12.69，為同時兼顧整車動力性和經(jīng)濟(jì)性需求，選用傳動比為11.80進(jìn)行不同電機(jī)方案對比計算。優(yōu)化前后的電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)對比如表4所示，不同電機(jī)方案外特性對比如圖7所示。

由表4和圖7可知：相比基礎(chǔ)方案，方案一、方案二的電機(jī)峰值效率提高，峰值轉(zhuǎn)矩、峰值功率增加；方案二的峰值轉(zhuǎn)矩低于方案一，但方案二的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍較寬，峰值功率與方案一相近。

不同電機(jī)方案經(jīng)濟(jì)性對比結(jié)果如表5所示。

由表5可知：1）相比基礎(chǔ)方案，方案一的CLTC-C工況耗電量減少了2.42%，為3.21 kW·h；循環(huán)電機(jī)平均效率為86.97%，比基礎(chǔ)方案增加了2.71百分點；u_ev=60 km/h等速續(xù)駛里程增加了1.38%，約為368.96 km；該工況電機(jī)運行效率為93.96%，增加了1.36百分點，經(jīng)濟(jì)性能提升但循環(huán)耗電量無法滿足性能要求。2）相比基礎(chǔ)方案，方案二的CLTC-C循環(huán)耗電量增加了2.99%，為3.19 kW·h；循環(huán)電機(jī)平均效率增加了4.54百分點，為88.80%；u_ev=60 km/h等速續(xù)駛里程增加了2.47%，約為372.95 km，該工況電機(jī)運行效率增加了2.36百分點，為94.96%，經(jīng)濟(jì)性能提高且能滿足性能要求。

不同電機(jī)方案下車輛的動力性對比如圖8和表6所示。由圖8和表6可知：1）相比基礎(chǔ)方案，方案一和方案二的加速性能均提高，方案一0～50 km/h加速時間為4.08 s，減少了15.18%；0～100 km/h的加速時間為10.87 s，減少了18.45%。2）方案二的0～50 km/h加速時間為4.59 s，減少了4.57%；0～100 km/h加速時間為11.3 s，減少了15.23%。3）方案一的最大爬坡度為40.9%，相比基礎(chǔ)方案提高了7.3百分點；方案二的最大爬坡度為35.3%，相比基礎(chǔ)方案提高了1.7百分點；方案一、方案二均滿足動力性能要求。

5 結(jié)論

1）針對某純電皮卡整車性能要求，計算了動力傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的性能參數(shù)，利用Cruise M軟件搭建仿真模型并進(jìn)行模型驗證。

2）通過計算基礎(chǔ)傳動系統(tǒng)模型，得到該模型CLTC-C循環(huán)耗電量為3.286 kW·h，100 km/h加速時間為13.33 s，最大爬坡度為33.5%，無法滿足整車性能指標(biāo)要求。

3）隨著傳動比增加，動力性能改善，但經(jīng)濟(jì)性能降低；為了兼顧經(jīng)濟(jì)性能和動力性能，選用傳動比為11.8進(jìn)行不同驅(qū)動電機(jī)方案對比，與基礎(chǔ)方案相比，方案一的動力性能得到提高且滿足指標(biāo)要求，經(jīng)濟(jì)性能得到提高但無法滿足指標(biāo)要求，方案二的動力性能和經(jīng)濟(jì)性能均得到提高且滿足指標(biāo)要求。

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Matching of power system and optimization of performance

on an electric pickup

ZHAO Qiang^1，2， SUN Nannan^1，2， WANG Xiaoyan^1，2， JIA Demin^1，2，

WANG Cong^1，2， HAN Kai^1，2

1. National Key Laboratory of Internal Combustion Engines and Power System，Weifang 261061，China;

2.Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China

Abstract：Based on the performance requirements of a certain electric pickup， the performance parameters of key components of the matching powertrain is calculated， simulation models are built by Cruise M software and validated.By inputting the simulation conditions to calculate the basic transmission system model， the power consumption， 0-100 km/h acceleration time， and maximum climbing slope of the model in the China light vehicle test cycle （CLTC-C） condition are obtained.For balancing economy and power，the influence of the transmission on the performance of the complete vehicle is evaluated， and two schemes for optimizing the drive motors are promoted， and the performance of the vehicle before and after optimizing the drive motor at a transmission ratio of 11.8 is compared.The results show that the base scenario uses 3.286 kW·h of power， with acceleration times of 13.33 s from 0 to 100 km/h and a maximum gradient of 33.5%， which does not reach the overall vehicle performance. As the ratio increases，overall vehicle power performance is improved， but economic performance is reduced. With a transmission ratio of 11.8， for scheme 1，the motor peak efficiency is 1.15% higher and the peak torque is 60 N·m higher than the underlying scenario，the peak power increases 20 kW， the power performance of the option one improves and meets the economic requirement but still does not meet the others. For scheme 2， the motor peak efficiency improves by 0.20%， peak torque increases 15 N·m， and peak power increases 21 kW which has improved power and economic performance and meets the specifications.

Keywords：electric pickup truck;power performance;economy performance;transmission ratio;drive motor

（責(zé)任編輯：劉麗君）