純電動輕型載貨車動力總成計算匹配及控制 策略研究

王小龍，郭凡，張博

（陜汽集團商用車有限公司，陜西 寶雞 721000）

前言

自20 世紀70 年代以來，石油危機和環境污染一直困擾著汽車工業的發展，汽車作為主要的陸上交通工具越來越廣泛應用的同時，對石油的消耗也在增加。電動汽車作為傳統內燃機汽車的替代產品，普遍受到社會各界的關注。尤其20世紀90 年代以后，世界范圍的大規模電動汽車開發和示范應用廣泛開展，電動汽車發展的重要社會意義和歷史意義凸顯。2015 年以來，隨著國家發布的一系列新能源汽車優惠政策的落地，新能源汽車市場增速迅猛。

隨著石油資源的漸趨匱乏和傳統燃油汽車排放所造成的空氣質量日益惡化的嚴峻形勢，開發低排放的新能源汽車成為當今汽車工業的緊迫任務。純電動車去掉了發動機，直接采用電機驅動，在保證車輛動力性能的同時，減少了燃油消耗和尾氣的排放。

本項目以擬將原傳統部件（發動機、燃油、控制系統）進行重新選型匹配開發的一款純電動載貨車。基于傳統輕型載貨汽車的基礎，進行了動力系統的選型匹配和優化設計、整車控制系統的設計、電動輔助系統的設計、整車的輕量化設計以及整車性能優化，整車原理圖如下。

圖1 整車原理圖

主要研究技術內容：動力系統技術平臺的匹配選型及仿真建模驗證、整車控制系統、電動輔助系統及部分性能參數的優化進行了分析和探討。

1 主要部件的選型及參數的設計匹配

研究分析了純電動輕型載貨車驅動系統主要部件的工作特性，根據純電動輕型載貨車的動力性指標及市場需求對該純電動輕型載貨車的主要驅動部件進行選型和參數設計，最后得出其整車動力系統及傳動系統參數。動力電池是純電動輕型載貨車參數匹配中的關鍵元件之一，設計時既要滿足車輛單次續航里程的需求，同時也要考慮整車的結構布置以及車架的承載能力。因此動力電池的參數匹配主要考慮電池功率的需求、能量要求、電壓等級三個方面。

圖2 動力總成仿真圖

2 整車控制邏輯設計

整車工作模式包括純電動行駛模式及倒車模式。故障檢測與處理：電機及控制器故障、電池及BMS 故障、CAN 通訊故障。根據故障類型不同采取以下不同措施：降功率行駛，關閉電機驅動系統，關閉電池系統，整車停止工作；顯示系統：除基本的速度、里程等信息外，還包括但不限于以下信息車輛運行狀態，檔位信息，動力電池荷電狀態、電壓、電流、溫度，驅動電機轉速、溫度，充電狀態。故障顯示：系統故障、動力電池低電量報警、動力電池溫度報警、動力電池絕緣報警、動力電池及BMS 故障報警、驅動電機及控制器過熱報警、驅動電機及控制器故障報警、故障等級。選擇和編制控制系統的硬件和軟件能夠實現整車正常啟動功能、正常行駛的功能、故障處理、穩定倒車功能和制動能量回收功能。控制電機轉速不超過后橋最大輸入轉速。

表1 整車控制邏輯

整車控制器通過對當前車輛功率的需求和蓄電池當前的狀態計算并控制電機輸出功率，實現比普通燃油汽車的經濟性和低排放等目標。整車模擬量輸入包括的信號有：加速踏板輸入信號、鑰匙開關 ON 信號。整車數字量檢測輸入信號包括：鑰匙開關 START 信號，充電機工作信號，制動踏板信號，前進/后退擋信號、上裝工作信號等。

圖3 整車通訊圖

整車控制系統是電動汽車的控制中樞，對汽車的正常行駛、網絡管理、故障診斷與處理、車輛的狀態與監控等功能起著關鍵的作用，其性能直接影響到整車性能。依據以上整車控制邏輯及通訊原理最大限度提高整車能量使用率有效增加整車續航及安全可靠性。

3 主要零部件仿真模型的建立及仿真結果分析

根據選取的動力總成外特性參數及電機標定參數，在基于AVL Cruise平臺建立動力總成的主要零部件以及控制策略模型，并建立整車的模型仿真計算結果分析。設置AVL Cruise環境，以車輛的動力性和經濟性指標為研究目標，輸入參數并進行仿真分析，通過分析結果對動力總成參數進行優化。

圖4 整車動力仿真圖

根據要求對驅動電機模塊進行仿真分析，驅動電機參數的的設置。對于能得到的各零件參數，都采用了真實的輸入。對于不能得到的各零部件參數，采用默認值和經驗值。

僅有電機的基本參數是遠遠不夠的，在Cruise 中還需要電機的外特性曲線和電機效率圖。電機的效率圖越詳細，所建模型就精準，仿真結果也就接近現實，但詳盡的電機效率圖要經過大量的試驗獲得，在沒有確定所選確定電機是否符合使用要求是，這樣的的試驗可能浪費很多人力物力。所以為了在節約成本的基礎上盡量獲得更詳細的電機效率圖，所建電機模型的外特性及效率圖如下：

圖5 所建電機模型的外特性及效率圖

成模型搭建后即可進行模型的運算，整車仿真計算結果如下：

表2 整車仿真計算結果表

在完成動力總成參數選型后，我們利用原車型改裝了一輛純電動樣車，在完成初步控制策略的標定后，進行了一輪60km/h 續航里程的測試，并針對相同工況下進行了相應的Cruise 虛擬計算，半載等速60km/h 續航里程計算與實車測試結果如下：

表3

由結果可以看出，Cruise 計算結果與實車測試結果之間的誤差較小，此誤差基本屬于可接受的范圍內，說明當前的計算對預測將來產品實車性能是具有指導意義的。通過計算結果對整車動力總成相關參數及控制邏輯進行部分優化，有效降低整車能耗提高整車續航能力。

純電動汽車以電能作為動力源，近年國內外各汽車企業均投入大量的人力、物力研究開發。雖然電驅動系統的效率高于內燃機，但是能量密度上的巨大差距導致了純電動汽車在續駛里程方面仍有很大的提升空間。主要在整車動力總成傳動效率、動力總成外特性曲線、控制邏輯等方面進行深入研究，積極尋求適合城市、城際間物流車的工況進行相關試驗，依據試驗數據進行整改，最大限度提升整車能量使用效率增加整車續航力能。