兩擋純電動汽車性能仿真與換擋策略優化

夏靖武，郝明亮，梅周盛，席文倩，周 斌

（漢騰汽車有限公司，江西 上饒 334100）

相對于傳統燃油車，純電動汽車具有低噪聲、零排放、低能耗等優點，是解決能源短缺和環境惡化兩大難題的有效途徑之一［1］。目前純電動汽車采用單擋減速器比較普遍，這種方案利用電機外特性與理想的汽車驅動特性場形狀相似的特點，可以簡化結構、降低成本。但是采用固定速比的傳動方式時電機工作點與車速直接關聯，為了滿足整車調速范圍，會使得更多的電機工作點落在低速大負荷區和高速低負荷區，降低了電機系統的效率［2］，同時受電機峰值功率和最高轉速的限制，電動汽車加速性能和最高車速無法進一步提高。為了解決這一矛盾，不少學者研究了多擋變速器在純電動汽車上的應用。結果表明，兩擋變速器相對單擋變速器具有更好的動力性和經濟性，成本和布置難度增加較小，在純電動汽車中有廣泛的應用前景［3］。

由于動力電池技術水平有限，純電動汽車在整車成本和續駛里程方面還存在一定局限，如何在有限的整車布置空間和成本預算下優化純電動汽車性能，使其獲得更大的續駛里程是純電動汽車開發中的關鍵問題。通過計算機仿真分析可以提前估算出純電動汽車的動力性與經濟性，縮短項目開發周期，降低開發風險，因此通過仿真計算來進行車輛動力系統的匹配與優化，是純電動汽車項目研發中的一個重要途徑［4］。

本文以某型純電動汽車為研究對象，針對其動力性經濟性設計目標，重點分析計算研究車型的傳動系統參數，搭建基于Matlab／Simulink環境下的整車仿真模型，對研究車型的動力性能及CLTC工況下的經濟性能進行有效的仿真分析，最終提出換擋策略優化方案，為項目的進一步開發提供參考和依據。

1 整車方案設計

研究車型依托于傳統基礎車型進行動力系統改造，其整車參數如表1所示。

表1 研究車型整車參數

電動汽車整車的設計應滿足車輛對動力性和經濟性的要求。動力性可用以下3個指標來評價：最高車速、加速性能和最大爬坡度；經濟性可用續駛里程和能量消耗率來評價［5］。研究車型的整車性能設計目標如表2所示。

2 動力系統參數匹配

2.1 電機參數匹配與選型

對于純電動汽車而言，驅動電機是整車動力系統的唯一動力來源。驅動電機參數的選擇，應使整車按國家標準GB／T 18385—2015［6］所規定的試驗方法測試的動力性滿足項目動力性能目標要求。電機功率越大，車輛動力性越好，但是會增加項目成本，同時電機的體積和質量也會相應增加，整車的經濟性也會受到不利影響，所以驅動電機參數的選擇對純電動車項目來說非常重要。根據當前的技術對比可知，永磁同步電機的綜合性能最優，在高速電動汽車上的應用最廣泛，下列分析均以永磁同步電機為對象展開。

表2 整車性能設計目標

車輛在行駛過程中受到滾動阻力、坡度阻力、空氣阻力、加速阻力，根據功率平衡原理，車輛功率平衡方程式如下：

式中：Pm——總輸出功率，kW；ηt——傳動效率；Pf——滾動阻力功率，kW；Pi——坡度阻力功率，kW；Pw——空氣阻力功率，kW；Pj——加速阻力功率，kW；Va——車速，km／h；m——整車質量，kg；g——重力加速度，m／s2；f——輪胎滾動阻力系數；i——道路坡度；Cd——風阻系數；A——迎風面積，m2；δ——旋轉質量換算系數；a——加速度，m／s2。

驅動電機峰值功率首先須滿足電動汽車最高車速、加速能力、最大爬坡度的功率需求。其次為了純電動汽車在滿載狀態下具有良好的動力性，驅動電機峰值功率常常需要留有一定的冗余量，計算公式如下：

式中：ε——功率冗余量；P1——車輛以最高車速行駛時的需求功率；P2——車輛在0-100km／h加速行駛時的需求功率；P3——車輛以不低于6km／h的車速爬上最大坡度時的需求功率。

2.2 電池參數匹配與選型

當前技術比較成熟、在電動汽車上應用較多的動力電池主要是三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池。三元鋰離子電池在能量密度、比功率等方面的性能更加出色，在純電動乘用車領域應用最為普遍，本文動力電池選擇三元鋰離子電池。動力電池系統的設計主要考慮電動汽車行駛時的最大輸出功率和能量消耗率，以保證車輛動力性和續駛里程的要求。根據電池特性及供應商資源，擬選定的電池單體標稱電壓為3.65V，標稱容量為180Ah。電池包初定由102個單體采用1P102S（1并102串）的形式組成。

2.3 減速器速比的匹配

電動汽車驅動電機相比發動機具有較大的調速范圍，但是僅通過電機自身的調節難以適應各種復雜的行駛工況，需要一個減速器或變速器與電機協調匹配來實現電動汽車在不同工況下的正常行駛，合理的速比設置可以調節電機的工作區間，使其較長時間工作在電機的高效區，減輕電機和電池的負荷，進而提高電動汽車的運行效率［7］。在電動機輸出特性一定時，傳動系速比的選擇主要取決于電動汽車的動力性要求。即最大速比取決于整車的最大爬坡度，最小速比取決于整車的最高車速。本文選擇的是兩擋變速器，即1擋對應最大速比、2擋對應最小速比。

1擋速比的選擇，應滿足最大爬坡度的需求，即：

2擋速比的選擇，應滿足最高車速的需求，即：

代入參數計算后，得到純電動汽車關鍵動力系統主要參數如表3所示。

表3 關鍵動力系統參數表

3 建模與仿真分析

3.1 搭建整車仿真模型

為了驗證兩擋純電動汽車主要動力系統參數的合理性，降低項目開發風險，本研究在Matlab／Simulink環境下搭建一整套帶兩擋變速器的純電動汽車整車仿真模型，對項目車型進行動力經濟性仿真分析，并對兩擋變速器換擋策略進行優化和評估。兩擋純電動汽車仿真模型架構示意圖如圖1所示。

3.2 整車性能仿真分析

根據電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法國家標準GB／T 18386—2017［8］的規定，輸入研究車型整車及動力系統相關參數，采用變速器廠家提供的原始換擋策略，在搭建的仿真模型中對其基于最新的CLTC循環工況的續駛里程等經濟性能進行了仿真分析，CLTC工況下的仿真車速曲線與擋位圖如圖2所示。

圖1 兩擋純電動汽車仿真模型架構示意圖

圖2 CLTC工況下的仿真車速曲線與擋位圖

圖2 中顯然兩條車速曲線基本重合，表明研究車型動力性能符合跟隨CLTC中國工況法的基本要求，同時也初步驗證了在Matlab／Simulink環境下搭建的純電動仿真模型對整車進行基于CLTC中國工況經濟性能仿真的可行性。另外，圖2中的擋位變化曲線顯示車輛在低速時在1擋狀態，車速較高時進入到2擋，整個換擋過程基本合理。

根據電動汽車動力性能試驗方法國家標準GB／T 18385的規定，采用原始換擋策略，對研究車型進行最高車速、加速性能、爬坡性能等動力性能進行仿真分析，整車加速與擋位變化過程如圖3所示。

原始換擋策略下整車動力經濟性主要參數仿真結果如表4所示。其中最高車速、加速時間、爬坡能力等動力性能都已滿足設計目標，但CLTC工況續駛里程還稍短于目標里程，需要進一步優化車輛的經濟性能。

4 換擋策略仿真與優化

對于裝有多擋變速器的純電動汽車而言，通過優化換擋策略來改善整車性能，無須增加額外的整車成本，且該措施尤其對經濟性能的改善較為明顯，是整車研發設計中一種常用的手段。本研究在兩擋變速器原始換擋策略基礎上增加了5組換擋策略 （曲線），如圖4所示。

圖3 整車加速與換擋過程曲線圖

表4 原始換擋策略整車性能仿真結果

圖4 兩擋變速器不同換擋曲線圖

換擋策略調整優化的主要思路是：調高了其中1組換擋策略各油門深度下的換擋車速，推遲了換擋時間，理論上對整車動力性有利；調低了另外4組換擋策略的換擋車速，加快了換擋時間，理論上對整車經濟性有利。分別對這6組換擋策略 （曲線）進行動力經濟性仿真，分析其對整車性能的影響，結果如表5所示。

表5 不同換擋策略的整車性能仿真結果

通過分析表5結果可知，除了調整策略5的動力性略差外，其余4組調整策略的動力性均與原始策略相同。因為這些策略下純電動汽車換擋時，驅動電機已進入恒功率模式，此時驅動電機輸出功率不變，相同車速下的車輪端驅動扭矩也不變，所以只要驅動電機沒有超出最高轉速，無論變速器是在1擋還是2擋，整車動力性都一致。換擋策略對純電動汽車CLTC工況下的續駛里程產生了一定的影響，表5中結果顯示采用調整策略3時的整車經濟性最好，CLTC工況續駛里程和動力性都達到了項目預設的性能目標要求，故推薦整車采用調整策略3這組換擋曲線。

5 結束語

純電動汽車的性能優化是工程實踐中的一個熱點問題，本研究以某型兩擋純電動汽車為研究對象，對其電機、電池、兩擋變速器等關鍵動力系統零部件進行了選型和參數匹配。在Matlab／Simulink環境下搭建了整車仿真模型，對研究車型進行了基于CLTC工況的性能仿真分析，發現了原車經濟性能和原始換擋策略的不足，并提出了5組調整換擋策略方案，最終得到了一組可以滿足項目所有預設性能目標的動力系統參數及換擋策略，為車型開發提供了重要的理論依據。