純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)工作效率優(yōu)化分析

劉建春 王吉全

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司）

驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)作為純電動汽車行駛過程中的主要動力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作特性決定了汽車行駛的主要性能指標(biāo)，提升電機(jī)系統(tǒng)工作效率是未來電驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)[1-3]。對于電機(jī)系統(tǒng)效率的分析，傳統(tǒng)的方法主要為選取特定工作點(diǎn)進(jìn)行測試分析并進(jìn)行局部優(yōu)化。文章從整個工況的角度評估電驅(qū)動系統(tǒng)整體效率，并以已上市的某純電動車型為例，基于NEDC 典型工況對電機(jī)系統(tǒng)工作區(qū)間及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行仿真分析，對驅(qū)動電機(jī)在各工況區(qū)間的工作效率進(jìn)行定量分析，進(jìn)而評估電機(jī)高效區(qū)間及可優(yōu)化工作點(diǎn)，為電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化指明了方向，具有較高的應(yīng)用價值。

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 電驅(qū)動系統(tǒng)性能參數(shù)采集

整車及電機(jī)系統(tǒng)性能參數(shù)來源為《車輛公告及備案參數(shù)表》，文章以某純電動車型為研究對象，其基本技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 某車型整車技術(shù)參數(shù)表

1.2 電機(jī)系統(tǒng)效率MAP圖數(shù)據(jù)采集

通過測試可得到電機(jī)及其控制器的系統(tǒng)效率MAP圖[4]。某車型在電動和饋電模式下的系統(tǒng)效率，如圖1所示。其中，電機(jī)系統(tǒng)的峰值效率約為93%，峰值效率位于轉(zhuǎn)速為5 000 r/min、轉(zhuǎn)矩為65 N·m 的附近區(qū)域。由圖1可知，電動模式下，電機(jī)系統(tǒng)工作效率大于90%時，其轉(zhuǎn)速為 2 033～8 600 r/min，轉(zhuǎn)矩為 14～170 N·m。電動狀態(tài)和饋電狀態(tài)基本上呈現(xiàn)對稱趨勢。但是，饋電模式的最高效率為92.5%，峰值效率位于轉(zhuǎn)矩為60 N·m，轉(zhuǎn)速為6 000 r/min 的附近區(qū)域。饋電模式下，當(dāng)電機(jī)系統(tǒng)工作效率大于90%時，其轉(zhuǎn)速為2 392～8 816 r/min，轉(zhuǎn)矩為 20～159 N·m。

圖1 純電動汽車電機(jī)在電動及饋電模式下的系統(tǒng)效率MAP 顯示界面

2 整車與電機(jī)的匹配分析

2.1 整車動力性分析

根據(jù)整車的性能參數(shù)，進(jìn)行某純電動車型動力性能仿真分析[5]，0～100 km 加速的速度-時間曲線，如圖2所示；轉(zhuǎn)矩-時間曲線，如圖3所示。

圖2 某車型0～100 km 加速的速度-時間曲線圖

圖3 某車型0~100 km 加速的轉(zhuǎn)矩-時間曲線圖

當(dāng)車速低于43.7 km/h 時，其加速性能受到電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩的限制，當(dāng)速度超過43.7 km/h 時，其加速性能受到電機(jī)峰值功率的限制。汽車的最大爬坡度受到峰值轉(zhuǎn)矩的限制，如圖4所示。根據(jù)仿真計算結(jié)果，當(dāng)汽車以15 km/h 的速度行駛時，能通過的最大坡度約為24°。

圖4 某車型最大爬坡度曲線圖

2.2 整車在NEDC工況下的工作區(qū)間分析

根據(jù)該車型的整車參數(shù)，可以計算其在NEDC 工況中每個速度下的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，如圖5所示。其中，電機(jī)在電動和饋電模式下，各個工作區(qū)間所占的時間權(quán)重分開計算，計算結(jié)果，如表2所示。

圖5 某車型電機(jī)在NEDC 工況下的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩分布曲線圖

表2 某車型電機(jī)在NEDC 工況下各區(qū)間工作參數(shù)表

由表2可知，在NEDC 工況的電動模式下，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在車速為0～15 km/h 的加速階段，轉(zhuǎn)矩約為76.4 N·m；電機(jī)的最大功率出現(xiàn)在車速為100～120 km/h 的加速階段，輸出功率約為43 kW。發(fā)電模式下，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為85.5 N·m，出現(xiàn)在車速為50～0 km/h 的減速階段。

2.3 NEDC工況下工作功率分析

選定電機(jī)系統(tǒng)的最高效率為93%，根據(jù)整車在NEDC工況下的工作區(qū)間，計算電驅(qū)動系統(tǒng)在NEDC工況下電動模式的整體效率為85.96%，饋電模式的整體效率約為85.80%。在NEDC 工況下各個工作區(qū)間所消耗功率比例的計算，如式（1）所示。

式中：Di——工作區(qū)間i 在NEDC 工況下所消耗功率所占的比例；

ni——工作區(qū)間i 的數(shù)量；

nj——工作區(qū)間j 的數(shù)量；

Pi——工作區(qū)間i 所消耗的功率，kW；

Pj——工作區(qū)間j 所消耗的功率，kW；

n——NEDC 工況的所有工作區(qū)間的數(shù)量總和。

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)在NEDC 工況下，各個工作區(qū)間的功率分布，如圖6所示。各工作區(qū)間功率數(shù)據(jù)，如表3所示。

圖6 某車型電機(jī)在NEDC 工況下各工作區(qū)間的功率分布顯示界面

表3 某車型電機(jī)在NEDC 工況下各工作區(qū)間功率數(shù)據(jù)表

3 電機(jī)系統(tǒng)效率優(yōu)化分析

根據(jù)表3中每個區(qū)間的車速功率占比和相應(yīng)的效率，可以計算出其相應(yīng)的功率損耗，如式（2）所示。

根據(jù)表3中功率損耗的計算結(jié)果，可以基于電機(jī)效率MAP 圖，評估出需進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化的工作區(qū)域。

1）等速行駛工作區(qū)間。功率損耗比較大的速度點(diǎn)為50 km/h 和70 km/h。因此，這2 個工作點(diǎn)的效率有待優(yōu)化。

2）加速行駛工作區(qū)間。加速行駛時，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為50 N·m 的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，能量損耗較大，電機(jī)系統(tǒng)效率優(yōu)化潛力明顯。

3）減速行駛工作區(qū)間。從圖6可知，電機(jī)在制動狀態(tài)時的功率損耗嚴(yán)重區(qū)間也集中在轉(zhuǎn)矩為50 N·m 的附近區(qū)域。但是，汽車減速行駛時，除了電機(jī)的再生制動力矩外，液力系統(tǒng)的摩擦制動力也起作用，因此，無法根據(jù)電機(jī)MAP 圖提供優(yōu)化建議。另外，電機(jī)的驅(qū)動效率和制動效率基本上呈對稱狀態(tài)，而NEDC 工況中的再生制動回收能量約占總耗能的25%，因此，電機(jī)系統(tǒng)效率優(yōu)化的主要目標(biāo)為車輛等速和加速行駛工況下的電機(jī)工作區(qū)間。

4 結(jié)論

文章基于某典型純電動車型驅(qū)動系統(tǒng)架構(gòu)，建立驅(qū)動系統(tǒng)性能分析模型，結(jié)合該車在NEDC 工況下的運(yùn)行情況，對驅(qū)動電機(jī)工作效率及優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行了量化分析。分析結(jié)果顯示，該車在NEDC 工況下，等速行駛車速為50 km/h 和70 km/h 的2 個工況點(diǎn)有較大的優(yōu)化空間；加速行駛時，效率有待提高的工作區(qū)間主要為電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩為50 N·m 的附近區(qū)域。文章基于實(shí)際工況的電機(jī)效率分析，為電驅(qū)動系統(tǒng)性能匹配優(yōu)化提供了客觀的數(shù)據(jù)依據(jù)，對電驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)化和產(chǎn)品升級具有重要的指導(dǎo)意義。