純電重型商用車四電機系統動力性及經濟性研究

黃文凱，程輝軍，儲愛華

（1.浙江遠程商用車研發有限公司，杭州 310020；2.吉利汽車集團有限公司上海分公司，上海 201616）

前言

隨著國家工信部對《重型商用車輛燃料消耗量限值》第四階段油耗限值提上日程，商用車企業將面臨嚴重的油耗壓力。同時，隨著國家排放標準的不斷升級，各地國六排放標準陸續實施，企業同時面臨嚴苛的排放壓力。此外，隨著俄烏戰爭的持續發酵，國際油價持續飆升。在此背景下，純電動商用車越來越受到企業的重視。當前，國內主流商用車企業都已陸續推出純電動產品。

在純電重型商用車領域，當前比較流行的純電動重型商用車動力總成方案采用單電機方案，單電機方案中一般都是采用低速大轉矩電機。低速大轉矩電機的特點是轉速范圍較窄，可以提供較大轉矩。

本文通過對比單電機-6AMT 變速器系統在相同車輛上應用的動力性和經濟性仿真以及試驗結果，驗證四電機-4AMT 系統在動力性和經濟性上的優勢。集中式中心驅動四電機-4AMT 變速器系統采用了乘用車上普及的高速小轉矩電機，帶動4 個小齒輪通過外嚙合同一個大齒輪，再經過4AMT 變速增轉矩，從而驅動車輪。集中式中心驅動四電機-4AMT 變速器系的外特性遠超單電機-6AMT 變速器系統。同時部分負荷下，四電機系統還可以靈活分配四電機轉矩，結合少部分換擋，從而增加調節工況，進而在提高效率的基礎上又減少換擋工況，降低了換擋沖擊發生的可能性。同時，也降低變速器結構的復雜性并減小變速器尺寸。

1 整車動力性及經濟性評價指標

1.1 純電動商用車的動力性指標

純電動商用車的動力性指標主要包括純電動商用車的最高車速、加速性能、爬坡性能等。根據GB/T 18385—2021《電動汽車動力性能試驗方法》［1］，純電動商用車的動力性主要由以下3個指標來評定：

（1）純電動商用車的最高車速

純電動商用車的最高車速由以下兩個指標來定義：①30 min 最高車速，指純電動商用車能夠持續行駛30 min 以上的最高平均車速；②1 km 最高車速，指純電動商用車能夠往返各持續行駛1 km 以上距離的最高車速的平均值。

（2）純電動商用車的加速能力

純電動商用車的加速能力是指純電動商用車從速度v1加速到v2所需的最短時間。

（3）純電動商用車的爬坡能力

純電動商用車的爬坡能力包含以下兩個指標：①爬坡車速，純電動商用車在給定坡度（通常為4%或12%）的坡道上能夠持續行駛1 km 以上的最高平均車速；②坡道起步能力，純電動商用車在坡道上能夠起動且1 min 以內向上行駛至少10 m 的最大坡度。

1.2 純電動商用車的經濟性指標

根據GB/T 18386—2017 《電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》［2］，純電動商用車的動力性及經濟性指標如表1 所示。通常純電動商用車經濟性指標按在一定工況（循環工況或等速工況）下能耗來定義。

表1 純電動商用車整車動力性及經濟性指標

2 整車動力性及經濟性仿真建模

2.1 整車動力學模型

根據文獻［3］，汽車行駛時必須克服滾動阻力、空氣阻力、在一定坡度上由重力產生的坡度阻力以及行駛中的加速阻力，整車動力學模型如圖1所示。

圖1 整車動力學受力模型

總阻力為

式中：Ff為滾動阻力，N；Fi為坡道阻力，N；Fw為空氣阻力，N；Fj為加速阻力，N。

由此可以得到純電動汽車的行駛方程式為

式中：Te為電機轉矩，N·m；i0為主減速器速比；ign為變速器當前擋位速比；ηT為傳動系統機械效率；r為車輪滾動半徑，m；f為滾動阻力系數；CD為空氣阻力系數；A為迎風面積，m2；v為行駛車速，km/h；δ為旋轉質量系數；m為汽車質量，kg。

因為本文中不涉及飛輪，所以旋轉質量系數可以表示為

式中Iw為飛輪轉動慣量［4］。

本文目標車輛的參數如表2所示。

表2 整車參數與技術要求

根據車輛動力性及經濟性要求，建立整車仿真模型，如圖2所示。

圖2 整車仿真模型

2.2 動力電池模型

純電動汽車中動力電池是最重要的零部件之一，尤其在純電動重型商用車領域，電池作為唯一的動力來源，就更為重要。其主要作用在于，為電機提供能量驅動車輪，滑行或制動時，配合底盤進行能量回收。在不考慮電池壽命以及溫度變化的影響下，通過試驗可得電池的電動勢和內阻模型［4］：

式中：ESOC為當前狀態下的電動勢；E0為電池電動常數擬合系數；SOC為電池的荷電狀態。

式中：RSOC為當前狀態下的內阻；δ0為內阻隨電流變化的補償系數；R0為電池的內阻常數；λi為擬合系數；I為電池電流；Qbat為電池容量；Pbat為電池功率。

根據以上電池理論公式進行電池模型的搭建。本文為更直觀分析兩種動力傳動方案的動力性與經濟性，均匹配同一款動力電池進行仿真與試驗。

2.3 驅動電機模型

電機是純電動重型商用車的主要動力源，驅動時輸出正轉矩以驅動車輛，制動時產生負轉矩以給動力電池充電。目前新能源汽車領域應用最廣泛的電機類型是永磁同步電機，其優點是結構簡單，功率因數高且響應速度快。電動機功率可以表示［5-7］為

在純電動重型商用車領域，較流行的是低速大轉矩電機，但由于轉矩需求較大，而電機轉矩又與電機質量、尺寸、成本等直接相關。因此，純電動重型商用車的電機成本較高，且尺寸較大，不利于布置。電機參數見表3。

表3 電機參數對比

本文討論的兩種方案中電機均采用永磁同步電機。所不同的是，單電機-6AMT 變速器方案采用低速大轉矩電機。特點是轉速范圍較低，可以提供較大轉矩，但缺點也是很明顯，電機尺寸大、成本高、質量偏重，高效區域偏小。集中式中心驅動四電機-4AMT 變速器方案采用高速小電機，優點是轉速高、尺寸小，且乘用車領域廣泛應用，具有成本優勢。但單個電機轉矩不能滿足重型商用車需求，需要4個電機配合一組外嚙合齒輪來滿足。

單電機-6AMT 變速器系統電機效率曲線如圖3所示，集中式中心驅動四電機-4AMT 變速器系統電機效率曲線如圖4所示。

圖3 單電機-6AMT變速器系統電機效率曲線

圖4 集中式中心驅動四電機-4AMT變速器系統電機效率曲線

2.4 傳動系統模型

單電機-6AMT 變速器系統和集中式中心驅動四電機-4AMT 變速器系統結構布置如圖5 和圖6 所示。圖5 中EM 表示單電機，為大轉矩低速電機；電機給輸入軸傳輸動力，再經過一個6 個擋位的AMT變速器系統，從而驅動車輪。該系統類似傳統發動機與AMT 變速器的組合，只是將發動機替換成了大電機EM。圖6 中共有4 個電機，即EM1、EM2、EM3、EM4，為乘用車領域普及的高速小型化電機，4 個小電機分別通過4 個齒輪與同一個大齒輪外嚙合，給輸入軸傳輸動力，再經過一個4 個擋位的AMT 變速器系統，從而驅動車輪。該系統的特色在于采用廣泛應用的高速小電機，降低了電機采購成本；同時靈活分配四電機轉矩或電機的工作數量，結合少量擋位，就可實現多種工作模式的切換，從而減小變速器尺寸，節省整車總布置空間。

圖5 單電機-6AMT變速器系統簡圖

圖6 集中式中心驅動四電機-4AMT變速器系統簡圖

根據外嚙合齒輪的傳動規律，建立四電機外嚙合齒輪的動力學方程：

式中：Tpi為小齒輪轉矩，N·m；Ts為大齒輪轉矩，N·m；Tei為電機轉矩；rs為大齒輪半徑；rpi為小齒輪半徑；ωpi為小齒輪角速度；ωs為大齒輪角速度；Jpi為小齒輪轉動慣量；Js為大齒輪轉動慣量。傳動系統速比對比見表4。

表4 傳動系統速比對比

2.5 換擋策略

單電機-6AMT 變速器系統的換擋策略與傳統換擋策略基本一致，傳統換擋策略的制定主要在已知整車參數的條件下，根據車輛動力學理論，考慮汽車動力性、經濟性以及駕駛性等建立換擋模型。

傳統換擋策略不能同時兼顧整車的動力性與經濟性，單電機-6AMT 變速器系統的換擋策略與傳統換擋策略類似。在保證純電動重型商用車動力性的基礎上，盡可能降低能耗，為解決該問題須制定兼顧動力性與經濟性的綜合換擋策略。圖7 為單電機-6AMT變速器系統換擋曲線［8-11］。

圖7 傳統綜合換擋曲線

由此可知，在中低車速下，轉矩需求變化較為頻繁，最優擋位受轉矩需求決定，傳統的換擋策略易導致換擋頻繁。

而集中式中心驅動四電機-4AMT 變速器系統，靈活選取電機工作數量，同時結合4AMT 擋位，實現工作模式的轉換。考慮到整車目標轉矩的需求，以及盡量少換擋的優勢，工作電機數量轉換如圖8 所示，其中橫軸為輸出軸轉速，縱軸為工作電機總轉矩，工作電機數量各區域轉速臨界點為轉換點。因此，工作電機數量轉換可以在圖中清楚看出。除單電機工作區域能力不能達到整車的最大轉矩需求外，其余工作電機數量區域均可達到整車最大轉矩需求。在單電機工作狀態下，輸出軸轉速增加到切換雙電機的臨界轉速時，系統就會切換到雙電機工作狀態。在切換過程中，兩個電機轉矩采用梯度控制，此消彼長，最終達到兩個電機轉矩一致。以此類推，雙電機切換三電機，三電機切換四電機也是這樣的控制方式。反之，在四電機工作狀態下，輸出軸轉速下降到切換三電機臨界轉速時，系統就會切換到三電機工作狀態，在切換過程中，3 個電機轉矩同樣采用梯度控制，此消彼長，最終達到3 個電機轉矩一致。以此類推，三電機切換雙電機，雙電機切換單電機也是這樣的控制方式。

圖8 集中式中心驅動四電機-4AMT變速器系統工作電機數量

新型換擋曲線如圖9 所示。其中橫軸表示輸出軸轉速，縱軸表示輸出軸轉矩需求。由于2 擋已大大滿足整車最大轉矩需求，為減少換擋，暫不使用1擋。因此，目前只有2-3、3-2、3-4、4-3 這4 個換擋工況，從而大大減少擋位切換可能帶來的沖擊。

圖9 集中式中心驅動四電機-4AMT變速器系統新型換擋曲線

把以上電機工作數量和換擋曲線結合起來，就可得到12 種不同的工作區間，相比于單電機-6AMT變速器系統翻了一倍，且區域之間更為線性。

3 動力性仿真結果

表5 為動力性仿真結果。從表5 可以看出，0-80 km/h 起步加速時間（滿載）、60-80 km/h 超越加速時間（滿載）、滿載持續最高車速、4%爬坡車速、12%爬坡車速和最大爬坡度（滿載）均有不同幅度的提升，提升度如圖10 所示。其中除滿載持續最高車速和最大爬坡度（滿載）提升不足10%外，其余動力性指標均提升接近20%。由此可以看出，在動力性方面，集中式中心驅動四電機-4AMT 變速器系統優勢明顯。

圖10 動力性仿真結果提升度

表5 動力性仿真結果

4 經濟性仿真結果

重型純電動商用車經濟性工況如圖11 所示，按照C-WTVC 循環曲線中的公路和高速工況來進行仿真計算［12-13］。

圖11 C-WTVC循環工況

對于單電機-6AMT 變速器系統，只能通過傳統的變速器換擋點實現電機保持在高效區域，從而實現系統處于高效區工作。

但對于集中式中心驅動四電機-4AMT 變速器系統，不僅可通過變速器換擋來實現系統處于高效區工作，還可通過電機工作數量的靈活切換來保持系統處于高效區工作。兩者相結合，實現工作模式的變換及系統高效區域的擴展。

表6為經濟性仿真結果。從表6可以看出，滿載百公里能耗基本相當，半載和空載百公里能耗相較于滿載降低效果明顯，如圖12 所示，提升度分別達到8.4%和17.2%。

表6 經濟性仿真結果

圖12 四電機-4AMT變速器系統提升度

從以上動力性及經濟性仿真結果可以看出，除滿載百公里能耗指標基本相當外，其余整車動力性及經濟性指標均得到提升。

5 試驗結果

在試車場對車輛進行配載，分別進行滿載起步加速、超車加速及爬坡等試驗。按照C-WTVC 工況，分別進行空載、半載和滿載能耗試驗，得到的試驗結果如表7所示。

表7 動力性及經濟性試驗結果對比

動力性方面：0-80 km/h 起步加速時間（滿載）、60-80 km/h 超越加速時間（滿載）、滿載持續最高車速、4%爬坡車速、12%爬坡車速和最大爬坡度（滿載）均有不同程度的提升。其中除滿載持續最高車速和最大爬坡度（滿載）提升不足10%外，其余動力性指標均提升接近20%。由此可以看出，在動力性方面，集中式中心驅動四電機-4AMT 變速器系統優勢明顯。且試驗與仿真結果保持高度一致，再次驗證了集中式中心驅動四電機-4AMT 變速器系統相較于單電機-6AMT 變速器系統在動力性方面的優勢明顯。

滿載百公里能耗基本相當，半載和空載百公里能耗降低效果明顯，分別達到9.7%和18.2%。且試驗與仿真結果保持高度一致，再次驗證了集中式中心驅動四電機-4AMT變速器系統相較于單電機-6AMT變速器系統在經濟性方面的優勢明顯。

6 結論

集中式中心驅動四電機-4AMT 變速器系統相比于單電機-6AMT 變速器系統，除滿載百公里能耗指標基本相當，以及滿載持續最高車速和最大爬坡度（滿載）提升不足10%外，其余動力性指標均提升超過10%，有的甚至接近20%。

因此，集中式中心驅動四電機-4AMT 變速器系統應用于純電動重型商用車，不僅可提升動力性及經濟性，還可以減小動力總成大小和質量，節省整車布置空間。另外，采用乘用車領域廣泛應用的小型高速化電機，可利用其規模化、成本低的優勢，降低整車成本。