一種純電動(dòng)汽車(chē)提升NEDC效率的驅動(dòng)系統分析

　　陳士剛

　?。ㄆ嫒鹦履茉雌?chē)技術(shù)有限公司，安徽 蕪湖 241002）

　　摘要：基于某純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)參數，對比當前大功率驅動(dòng)電機匹配單速比減速器和小功率驅動(dòng)電機匹配雙速比減速器驅動(dòng)系統動(dòng)力性、經(jīng)濟性和NEDC效率分析。通過(guò)對雙速比減速器匹配小電機在不同換檔車(chē)速下的NEDC轉速、扭矩分析，其對應的效率MAP分布集中在小電機高效區，其N(xiāo)EDC效率比大電機匹配單速比減速器包括平均效率、電動(dòng)效率、發(fā)電效率提升約8%；小電機匹配雙速比減速器動(dòng)力性也滿(mǎn)足要求，為純電動(dòng)汽車(chē)降本、降耗提效提供了一種方法。

　　關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；驅動(dòng)系統；雙速比；NEDC工況；效率MAP

　　0 引言

　　隨著(zhù)石油資源日趨緊張及環(huán)境問(wèn)題日益嚴重 ^[1] ，新能源汽車(chē)越來(lái)越多的普及到人們生活中，其驅動(dòng)系統主要由電動(dòng)機和減速器相匹配以達到驅動(dòng)整車(chē)的作用，純電動(dòng)汽車(chē)作為新能源汽車(chē)行業(yè)的主要車(chē)型。類(lèi)似于傳統汽油車(chē)油耗指標，電耗也是考核電動(dòng)車(chē)性能的一項重要參數，也是衡量新能源汽車(chē)補貼的關(guān)鍵指標，國家對電動(dòng)車(chē)整車(chē)電耗指標制定了相關(guān)的法規政策，如NEDC（歐洲循環(huán)工況，New Europe Driving Cycle，簡(jiǎn)稱(chēng)“NEDC”）能量消耗率、整車(chē)能耗限值以及雙積分能耗等。整車(chē)電耗實(shí)際代表了整車(chē)各部件的用電消耗量，近年來(lái)有很多文獻對電動(dòng)車(chē)降耗提效進(jìn)行了研究。周兵^[2] 等基于某行駛工況對純電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系的傳動(dòng)比進(jìn)行了優(yōu)化，使得動(dòng)力因素提高、比能耗降低；王星剛 ^[3] 通過(guò)對純電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)系統的優(yōu)化及策略分析，對單電機單級減速器和雙電機兩檔減速器的NEDC工況效率分別進(jìn)行了計算，顯示采用雙電機驅動(dòng)方案能夠獲得更高的系統效率；章艷 ^[4] 通過(guò)對純電動(dòng)汽車(chē)的能量回收策略的優(yōu)化，適當的提高了電機制動(dòng)起作用的時(shí)間及比例有效的延長(cháng)了整車(chē)續航里程、降低了整車(chē)電耗；楊磊 ^[5] 對影響純電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)濟性的能量傳遞各部件進(jìn)行分析，包括電機、電控、蓄電池等傳遞效率；并提出了改善純電動(dòng)汽車(chē)的能耗經(jīng)濟性措施等。

　　本文通過(guò)對某純電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)系統由大功率電機匹配單速比減速器方案更改為小功率電機匹配雙速比減速器方案分析，結果顯示動(dòng)力性滿(mǎn)足要求、整車(chē)NEDC工況分布更趨于電機系統的高效區間，NEDC平均效率提高約8%，降低了整車(chē)電量消耗、提升了整車(chē)的續航里程，為純電動(dòng)汽車(chē)降本、降耗提效提供了一種方法。

　　1 基本參數

　　本文是基于某純電動(dòng)汽車(chē)搭載的大功率驅動(dòng)電機匹配單速比減速器，更改由小功率電機匹配雙速比減速器下的動(dòng)力性、經(jīng)濟性及NEDC效率對比分析，其電動(dòng)機及減速器參數如表1。雙速比減速器在實(shí)際匹配過(guò)程中存在換檔操作，即在某車(chē)速下雙速比減速器由速比一檔換到速比二或由速比二切換到速比一，對應的小電機扭矩和轉速會(huì )做相應的更改，對應的NEDC工況也就是后文所說(shuō)的換檔NEDC工況有變化。

　　基于表1參數，大、小功率電機對應的外特性參數如圖1，可知大電機外特性轉折轉速比小電機的轉折轉速小，這個(gè)對整車(chē)動(dòng)力性有影響，在本文的分析中也可彌補小電機動(dòng)力性偏弱的劣勢。

　　2 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性分析

　　2.1 電機拐點(diǎn)車(chē)速

　　大電機匹配單速比減速器時(shí)，電機外特性拐點(diǎn)轉速對應整車(chē)車(chē)速為：V 大 =N 折 ×0.307×0.377/S 單V 大 =39.5（km/h）式中，N 折 為轉折轉速（下同），0.307為輪胎半徑，0.377為轉化單位的系數（下同）。

　　小電機匹配雙速比一級速比時(shí)，電機拐點(diǎn)轉速為（前提是采用小電機匹配雙速比減速器為1檔狀態(tài)，即未換檔）：V 小 =N 折 ×0.307×0.377/S 雙1V 小 =26.2(km/h)

　　2.2 小電機最高車(chē)速分析

　　大電機按照整車(chē)風(fēng)阻、滑阻參數計算：

　　V max =N max ×0.307×0.377/S 單

　　V 大max =152(km/h)

　　小電機匹配雙速比減速器，電機為最高轉速、減速器為二級速比時(shí)，按上述公式帶入參數計算，最高轉速是遠遠大于V 大max 的。

　　經(jīng)過(guò)上述分析，小電機匹配雙速比減速器時(shí)在車(chē)速上完全能夠滿(mǎn)足整車(chē)定義的最高車(chē)速。

　　2.3 小電機最大轉速分析

　　通過(guò)大電機匹配單級減速器分析，大電機最高轉速時(shí)整車(chē)最高車(chē)速為V 大max ，采用雙速比減速器達到相同最高車(chē)速時(shí)，減速器實(shí)際應為雙速比減速器的二級速比，此時(shí)對應的電機轉速應為：

　　N 雙max =V 大max ×S 雙2 /0.307/0.377

　　N 雙max =6913(rpm)

　　式中，N 雙max 是雙速比匹配的電機需求最大轉速最高轉速N 雙max 對應一級速比時(shí)最大車(chē)速：

　　V max1 =N 雙max ×0.307×0.377/S 單

　　V max1 =57(km/h)

　　即電機最高轉速降至N 雙max 時(shí)，能夠保證最高車(chē)速V 大max ，軸承最高轉速可降低至N 雙ma ；且采用雙速比減速器時(shí)，一級速比整車(chē)車(chē)速達到V max1 時(shí)必須換檔，才能滿(mǎn)足最高車(chē)速要求；

　　2.4 小電機額定功率

　　此款純電動(dòng)車(chē)定義的最高30 min車(chē)速為V 額 時(shí)，此時(shí)整車(chē)車(chē)速穩定維持平衡時(shí)的功率即為整車(chē)額定功率，即通常定義的電機額定功率要滿(mǎn)足此功率，本文只計算了整車(chē)狀態(tài)下的功率。

　　其中滿(mǎn)載載荷力為：

式中，V 額 =120（km/h)F 滿(mǎn) 為根據整車(chē)工況滑阻曲線(xiàn)擬合的公式，V 額 為整車(chē)額定車(chē)速，故P 額 = F 滿(mǎn) * V 額=27.9(kw)

　　通 過(guò) 上 述 計算，對比小功率電機額定功率是能夠滿(mǎn)足整車(chē)需求的。

　　2.5 小電機輪邊扭矩分析

　　參照表1的參數，大、小電機匹配單雙速比減速器時(shí)的整車(chē)輪邊扭矩計算分布如圖2（圖2為換檔車(chē)速為40 km/h的輪邊扭矩）。

　　如右圖2可知，在兩檔減速器換檔前小電機匹配的輪邊扭矩時(shí)大于大電機匹配的輪邊扭矩，在換檔后扭矩有小幅下降，換檔前后扭矩經(jīng)確認是滿(mǎn)足整車(chē)動(dòng)力性能的（本文不再詳細介紹）。

　　由上述分析可知，采用小電機匹配雙速比減速器時(shí)電機功率降低、轉速降低，其對應的電機成本必然有所下降。

　　3 NEDC工況效率分析

　　3.1 NEDC工況分析

　?。?）換檔車(chē)速

　　通過(guò)上述分析，小電機匹配雙速比減速器滿(mǎn)足整車(chē)性能，達到最高換檔車(chē)速V max1 前必須換檔，本文基于換檔車(chē)速分別為40 km/h、45 km/h，50 km/h時(shí)對NEDC的效率分析；

　?。?）NEDC工況圖

　　3為大電機匹配單級減速器時(shí)整車(chē)NEDC仿真工況，根據NEDC仿真工況，篩選出車(chē)速40 km/h、45km/h、50 km/h時(shí)的換檔點(diǎn)。圖4為NEDC仿真工況換算出來(lái)的電機扭矩、轉速圖，在整車(chē)NEDC循環(huán)工況時(shí)包含電動(dòng)和發(fā)電兩種模式，所以在本文換檔分析時(shí)，換檔點(diǎn)即代表一級速比換檔二級速比，也代表二級速比往一級速比換檔。

　?。?）換檔后NEDC工況

　　根據大電機匹配單速比減速器方案的NEDC工況，并結合換檔輪邊扭矩、整車(chē)車(chē)速相等原則，分別計算車(chē)速40 km/h、45 km/h，50 km/h時(shí)對應的轉速和扭矩。

　　輪邊扭矩相等：

　　整車(chē)車(chē)速相等：

　　式中、代表匹配雙速比減速器時(shí)電機對應轉速。如圖3所示，得到三種換檔車(chē)速下的電機轉矩、轉速NEDC曲線(xiàn)。

　　3.2 NEDC效率MAP分布

　　根據換檔前、后的NEDC轉速、轉矩曲線(xiàn)以及兩款電機系統效率MAP，并采用MATLAB軟件進(jìn)行數據分析如圖6所示。結果顯示，小電機匹配雙速比減速器時(shí)的NEDC扭矩在系統效率上更趨向于高效區，在電動(dòng)區域部分效率點(diǎn)更是趨于92%。

　　3.3 NEDC效率分析

　　根據上述章節選取的三個(gè)換檔轉速點(diǎn)轉換成的

NEDC工況，對應的電機轉速/扭矩曲線(xiàn)與大、小電機系統效率采用MATLAB進(jìn)行插值處理，對電動(dòng)模式和發(fā)電模式分別進(jìn)行效率計算，結果如表2所示。

　　4 結論

　　本文通過(guò)對小功率電機匹配雙速比減速器方案與大電機匹配單速比減速器對比分析可知，小電機匹配雙速比減速器一方面可降低驅動(dòng)系統成本，一方面對整車(chē)效率有一定提升。通過(guò)選取不同換檔車(chē)速對應的電機NEDC轉速/扭矩曲線(xiàn)，采用MATLAB分別對NEDC效率與電機系統效率MAP進(jìn)行計算，結果顯示為電動(dòng)、發(fā)電效率均提高，平均效率提升約有8%，尤其是發(fā)電效率提升較明顯。通過(guò)此方案為整車(chē)將能耗、提升續航里程以及成本控制提供一種方法。

　　參考文獻

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　　[2] 基于行駛工況的純電動(dòng)汽車(chē)比能耗分析及傳動(dòng)比優(yōu)化[J]. 周兵,江清華,楊易,王繼生. 中國機械工程.

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　　[5] 純電動(dòng)汽車(chē)能耗經(jīng)濟性分析[J]. 楊磊. 上海汽車(chē). 2007(08)

　　作者簡(jiǎn)介：

　　陳士剛，男，（1987.9-）天津理工大學(xué) 機械工程專(zhuān)業(yè)，碩士，工程師，主要研究方向：新能源汽車(chē)電驅動(dòng)系統。

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第6期第61頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處