趙強 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，計算匹配動力系統關鍵零部件的性能參數，利用Cruise M軟件搭建仿真模型并進行模型驗證，輸入仿真工況對基礎傳動系統模型計算，得到該模型在中國輕型商用車測試循環（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；在兼顧經濟性和動力性的前提下，研究傳動比對整車性能的影響規律，提出2種驅動電機優化方案，在傳動比為11.8時對比驅動電機優化前后車輛的性能。結果表明：基礎方案下，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要求；隨著傳動比增加，整車動力性能改善，但經濟性能降低；傳動比為11.8時，與基礎方案相比，方案一的電機峰值效率提高了1.15%，峰值轉矩提高了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要求，經濟性能得到提高但仍然無法滿足指標要求；方案二的電機峰值效率提高了0.2%，峰值轉矩提高了15 N·m，峰值功率提高了21 kW，方案二的動力性能和經濟性能均得到提高且滿足指標要求。

關鍵詞：電動皮卡；動力性；經濟性；傳動比；驅動電機

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

引用格式：趙強，孫楠楠，王曉艷，等.某電動皮卡動力系統匹配與性能優化［J］.內燃機與動力裝置，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

隨著經濟迅速發展，我國對資源的需求不斷增加，據統計，我國已成為全球最大的石油進口國，石油資源對外依賴度超過70%；另外，燃油汽車給環境帶來的壓力越來越大，發展新能源汽車是實現汽車工業可持續發展的必由之路^[1]。據統計，2022年全國新能源汽車銷量為527.5萬輛，同比增長80.1%，呈高速發展狀態^[2]，其中皮卡市場正在逐漸升溫，全年銷量達51萬輛。整車動力傳動系統的參數匹配結果決定整車性能^[3-4]，在純電動汽車性能參數匹配與優化方面的研究較多：劉璐明^[5]以某款純電動城市客車為研究對象，對驅動電機和動力電池組參數進行匹配設計；繆明雅^[6]按照某純電動汽車整車設計性能要求，對驅動電機、驅動方案、傳動比等主要部件進行參數匹配，并通過AVL Cruise軟件進行整車建模、仿真，對不同方案仿真結果進行了分析，確定最優方案。

本文中基于某電動皮卡的整車性能指標，研究電動車動力學分析方法，對純電皮卡整車動力系統關鍵部件進行參數匹配，明確整車動力性和經濟性評價指標，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（China light-duty vehicle test cycle-commercial，CLTC-C）工況耗電量、續駛里程、加速性能、爬坡性能等技術指標，分析所設計動力系統的經濟性能和動力性能，之后探索研究傳動比對整車性能的影響規律，對比分析不同驅動電機方案在整車性能中的表現，為后續整車性能優化提供參考。

1 整車性能要求

某皮卡車型整車參數如表1所示。結合皮卡車型實際使用場景和消費者的需求，對整車動力系統核心零部件進行合理設計，確定整車性能指標如表2所示。

2 動力參數匹配

基于整車參數和性能設計指標，運用電動汽車動力性分析方法進行動力系統關鍵參數匹配計算，確定電機功率、轉速、轉矩、傳動比和電池容量。

2.1 電機功率

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

根據最高車速確定電機峰值功率P₁，計算式為：

式中：{P₁}為以kW為單位的電機峰值功率P₁的數值；{m}為以kg為單位的整車質量m的數值；{g}為以m/s²為單位的重力加速度g的數值，取為9.8 m/s²；{u_max}為以km/h為單位的最大車速u_max的數值；{A}為以m²為單位的迎風面積A的數值。

根據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的數值；α為最大爬坡度對應的坡度角，°。

根據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。電機的額定功率P_e應滿足最高車速的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。此時電機過載系數λ（電機峰值功率與額定功率的比，表征電機過載工作能力，一般取為2～3）為2.125，故滿足要求。

2.2 電機轉速

汽車用驅動電機一般是高速電機，綜合考慮功率密度、運行效率、電機質量、可靠性等因素，選取最高轉速n_max為12 000 r/min。通常電機的擴大恒功率區因數β的取值為2～4，β過大導致成本增加^[7]，選取額定轉速n_e為4 900 r/min。

2.3 電機轉矩

電機峰值轉矩T_max的計算式為：

{T_max}=9 550{P_max}/{n_e} ，（4）

式中，{T_max}為以N·m為單位的電機峰值轉矩T_max的數值，{n_e} 為以r/min為單位的發動機最高轉速n_e的數值，{P_max}為以kW為單位的P_max的數值。

由式（4）可得，T_max=331.33 N·m。

電機額定轉矩T_e計算式為：

{T_e}=9 550{P_e}/{n_e} ，（5）

式中：{T_e}為以N·m為單位的電機額定轉矩T_e的數值，{P_e}為以kW為單位的電機額定功率P_e的數值。

由式（5）可得，T_e=155.92 N·m。

2.4 傳動比

由電機最高轉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為單位的電機最高轉速n_max的數值，{r}為以m為單位的車輪半徑r的數值。

由式（6）可得，i_min=11.00。

由最大爬坡度和最大轉矩確定最大傳動比

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

根據續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的數值；{u_ev}為以km/h為單位的u_ev的數值，u_ev=60 km/h。

電力總量

W_ev=P_evS/（η_mu_ev），（9）

式中：η_m為機械傳動效率，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。根據要求，u_ev=60 km/h時，等速續駛里程S應大于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 基礎模型的建立與驗證

3.1 模型建立

利用Cruise M軟件中模塊構建整車模型，根據當前實車配置設置各模塊參數，以此作為基礎模型，輸入仿真工況，基礎模型中動力電池為磷酸鐵鋰電池，初始電池荷電狀態（state of charge，SOC）為95%；選用永磁同步電機，峰值轉矩為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。對整車性能進行仿真計算，評價車輛的經濟性能和動力性能。

3.2 模型驗證

以CLTC-C循環工況為模型驗證工況^[8]，整個工況計算過程中車速仿真結果與CLTC-C循環設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

電動汽車的主要性能通常從經濟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濟性。電動汽車經濟性的評價指標中，文獻[9]中規定測試工況主要包括標準循環工況（本文中為CLTC-C循環工況）和u_ev=60 km/h等速巡航工況，根據文獻[10]給出的電動汽車動力性評價指標，國標中用汽車的最高車速、加速性能、最大爬坡度3個指標評價整車的動力性能。

3.4 基礎模型計算

基于建立的整車動力系統基礎模型進行CLTC-C循環工況計算，該模型單循環工況累計耗電量曲線如圖3所示，該循環工況下的電機運行工況在效率map上的落點統計如表3所示。

由圖3及表3可知：單循環工況整車耗電量為3.286 kW·h，電機效率在90%以上的工況落點占比為60.67%，電機效率在80%以上的工況落點占比為64.73%。電機整體運行效率較低導致整車經濟性較低，無法達到設計指標。

基于建立的整車動力系統基礎模型，進行全加速仿真計算，受電機驅動系統峰值轉矩、峰值功率的最大持續時間限制，動力性計算結果選取由靜止開始至30 s內的數據^[11]，結果如圖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%。根據仿真結果，該基礎模型無法達到動力性設計指標。

4 方案對比與分析

4.1 傳動比計算

基于整車參數和設計指標要求，結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進行整車經濟性和動力性分析研究，傳動比對整車經濟性的影響規律如圖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運行工況發生改變；電機循環平均效率（本文中電機循環平均效率指CLTC-C工況中整車非靜止狀態下的電機運行效率的平均值）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等速續駛里程由366.95 km降為360.95 km，這同樣與該車速對應電機運行工況下的電機效率有關，該工況下電機效率由93.36%降為91.74%。根據仿真結果，通過傳動比優化設計無法滿足經濟性能指標要求。

傳動比對整車動力性的影響規律如圖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的車速相等，為105 km/h；傳動比越大，車輛前期加速性能優勢明顯，后期加速性能優勢減弱。分析原因為：在電機恒轉矩區，隨著電機轉速增加，功率增加；在電機恒功率區，隨著電機轉速增加，功率不變或略有下降；傳動比增加，達到相同車速的過程中電機會更早地由恒轉矩區進入恒功率區。

由圖6c）、d）可知：傳動比由11.00增加到12.69，當爬坡度為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，通過傳動比優化設計可滿足動力性能指標的要求。

4.2 不同電機對比

根據整車參數和整車性能指標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濟性需求，選用傳動比為11.80進行不同電機方案對比計算。優化前后的電機關鍵參數對比如表4所示，不同電機方案外特性對比如圖7所示。

由表4和圖7可知：相比基礎方案，方案一、方案二的電機峰值效率提高，峰值轉矩、峰值功率增加；方案二的峰值轉矩低于方案一，但方案二的恒轉矩區對應的轉速范圍較寬，峰值功率與方案一相近。

不同電機方案經濟性對比結果如表5所示。

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

不同電機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 結論

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

2）通過計算基礎傳動系統模型，得到該模型CLTC-C循環耗電量為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要求。

3）隨著傳動比增加，動力性能改善，但經濟性能降低；為了兼顧經濟性能和動力性能，選用傳動比為11.8進行不同驅動電機方案對比，與基礎方案相比，方案一的動力性能得到提高且滿足指標要求，經濟性能得到提高但無法滿足指標要求，方案二的動力性能和經濟性能均得到提高且滿足指標要求。

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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

（責任編輯：劉麗君）