基于Cruise仿真的單雙檔電橋效率分析

郝井超，王雙

(1.同濟大學 汽車學院，上海 200092； 2.上海汽車變速器有限公司，上海 201822)

并列第一作者：王雙(1987—)，女，碩士，工程師，主要研究方向為新能源車輛性能認證。

0 前言

三合一電橋高度集成了電機、控制器及減速器3大模塊，是電動汽車的核心部件，其主要作用是將電池的電能轉化成驅動汽車行駛的機械能。由于電動汽車攜帶的能源較內燃機車少，極大地限制其續航里程，因此提高三合一電橋的效率，減少能源損耗具有重要意義。通過減速器檔位匹配，可以使汽車運行在電機的高效區，提高電橋效率，因此通過減速器檔位匹配提升電橋效率的研究被廣泛關注。

近年來，國內外學者及各大汽車企業均做了大量研究，李海波等提出了采用線性插值和加權算法優化減速器速比，提高了電驅動系統效率；史俊旭等通過分析新歐洲駕駛循環(NEDC)工況路譜的工況點，提出了評估電機能耗及效率的方法，實現了整車效率最優；何衛等通過分析整車實際使用工況，基于輸入轉速、輸入扭矩、油溫等參數，提出了一種驅動橋的NEDC工況測試方法，大大地提高了測試精度。

本文基于某純電動整車信息，提出了一種NEDC工況運行效率(以下簡稱“NEDC效率”)的計算方法，并通過臺架試驗驗證了計算方法的準確性，為后續對單雙檔電橋的NEDC效率分析提供了理論指導和計算方法。同時，以三合一電橋為研究對象，使用相同電機匹配不同檔位的減速器，形成單雙檔三合一電橋，分別仿真計算其NEDC效率，并分析了電機運行工況點。通過分析，雙檔電橋的運行工況點更靠近電機的高效工作區，體現了雙檔電橋的優越性。

1 NEDC效率計算方法

1.1 NEDC工況要求

NEDC工況是歐洲的續航測試標準，如圖1所示。由圖1可知：NEDC工況由4個運行時間為195 s的市區循環和1個運行時間為400 s的市郊循環組成，整個運行過程由勻加速、勻速、勻減速和停車4類工況組成，運行總時間為1 180 s。我國工信部在對純電動車的綜合里程進行測試時，采用的就是NEDC工況測試標準。因此，本文基于NEDC工況開展相關研究。

圖1 NEDC工況

1.2 NEDC效率仿真計算方法

在整車實際運行過程中，電橋的運行工況十分復雜，但提高整車續航里程的基本原則是一致的：使電橋運行工況點逼近其高效區，進而提高其續航里程。本文基于Cruise軟件構建整車模型，整車參數如表1所示，所建立的仿真模型如圖2所示。

表1 整車模型仿真計算參數

圖2 整車仿真模型

由圖2可知，電池的電能有兩方面用途：① 用于車載電器的消耗，如空調、中控板等；② 將電能提供給電橋轉化成機械能，驅動整車行駛。其中車載電器的電能消耗較少，在計算NEDC效率時，可忽略不計。NEDC效率主要取決于電橋將電能轉化成機械能的效率，NEDC效率的計算公式如下：

(1)

式中：為NEDC效率；=1為電橋效率為100%時、電池輸出的總能量；=實測為電橋效率為實測值時，電池輸出的總能量。

1.3 計算方法校核

為了校核仿真模型及計算方法的正確性，本文搭建了電橋試驗臺，模擬整車NEDC工況，進行計算方法及仿真模型校核。試驗臺的工作原理如圖3所示。被測試電橋設置為扭矩模式，模擬整車運行時的動力源；輸出電機為被測試電橋提供阻力，模擬整車運行時負載；電池模擬器通過高壓線束為控制器提供直流高壓電源，模擬整車的電池包；上位機可實時顯示臺架各傳感器采集到的信號；功率分析儀采集電池模擬器傳輸給電橋的電壓和電流信息，內部處理后得到輸入給電橋的電能；轉速扭矩儀采集輸出端各機械連接位置的轉速和扭矩信息，傳入到功率分析儀，處理后得到輸出的機械功。

圖3 測試臺架原理圖

試驗實測的NEDC效率計算公式為：

(2)

式中：為機械功；為電能。

通過多次測試取得的NEDC效率平均值與仿真值的相對誤差為2.3%，表明構建的仿真模型及提出的NEDC效率計算方法可以有效地對電橋效率進行測試。

2 研究對象

本文以某廠生產的三合一電橋為研究對象，具體參數見表2，分別匹配單檔及雙檔減速器，計算其NEDC效率。

表2 三合一電橋參數

電橋的電機及控制器的效率進氣壓力傳感器的效率脈譜圖如圖4所示。由圖4可知，電動模式的最高效率>96%，高效區分布在電機轉速5 000～10 000 r/min、扭矩50～150 N·m區域；發電模式的最高效率>95%，高效區分布在電機轉速6 000～10 000 r/min、扭矩-50～ -150 N·m區域。

圖4 電機控制器模塊效率

3 單雙檔電橋NEDC效率計算

3.1 單檔電橋

以表2中的單檔電橋為研究對象，在圖2中的仿真模型中設置相關參數后，基于NEDC工況進行仿真計算，分別得到當單檔電橋效率為100%和實測值時，電池輸出的總能量為5 978.52 kJ和6 975.17 kJ。

通過式(1)計算可得，單檔電橋的NEDC效率為85.71%。提取電機的運行工況參數，在Matlab中將其標記在效率脈譜圖上，可得到運行工況分布圖如圖5所示。由圖5可知，運行工況點的最高效率為94.50%，并未進入最高效率區域。

圖5 單檔電橋電機運行工況點

3.2 雙檔電橋

采用與單檔電橋仿真相同的方法，可以計算得到當雙檔電橋效率為100%和實測值時，電池輸出的總能量為5 918.39 kJ和6 716.65 kJ。

通過式(1)計算可得，雙檔電橋的NEDC效率為88.12%，可見雙檔電橋的效率較單檔電橋提升了2.41百分點。將雙檔電橋的電機運行工況點標記在效率脈譜圖上，可得到工況點分布圖如圖6所示。由圖6可知，運行工況點最高效率逼近96.00%，較單檔電橋有明顯提升。

圖6 雙檔電橋電機運行工況點

4 結語

本文以某廠生產的三合一電橋為研究對象，分別匹配單檔及雙檔減速器，通過Cruise提出了計算NEDC效率的仿真算法，并通過臺架試驗校驗了該算法的有效性。使用1臺電機分別匹配單檔、雙檔減速器，對組成的2款電橋進行仿真試驗。結果表明：雙檔電橋的NEDC效率較單檔提升了2.41百分點，驗證了雙檔電橋的優越性。本研究證明了通過速比優化和換檔策略優化，可進一步提升電橋效率。