基于百公里加速的電動(dòng)汽車動(dòng)力性能提升

祁貴兵 盧昕夕

（愛馳汽車（上海）有限公司）

隨著純電動(dòng)汽車的行業(yè)發(fā)展逐漸趨向于成熟，人們?cè)絹碓疥P(guān)注純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能。一直以來，百公里加速時(shí)間就是衡量車輛性能的關(guān)鍵指標(biāo)，如果說百公里加速表現(xiàn)突出，就意味著車輛擁有優(yōu)異的動(dòng)力性能，也意味著從整車駕駛到各系統(tǒng)開發(fā)標(biāo)定，都會(huì)有較為出眾的表現(xiàn)。文章針對(duì)三電系統(tǒng)已選型完成的純電動(dòng)車型，進(jìn)行百公里加速的動(dòng)力提升開發(fā)。在項(xiàng)目前期，通過Cruise仿真計(jì)算進(jìn)行虛擬校核，結(jié)合動(dòng)力性關(guān)鍵影響因子展開分析，優(yōu)化輪胎抓地力并進(jìn)行峰值扭矩提升實(shí)車驗(yàn)證，改善電池輸出電流，提升恒功率段扭矩，有效地提升了百公里加速能力，體現(xiàn)了車型競(jìng)爭(zhēng)力和亮點(diǎn)。

1 加速時(shí)間和打滑力矩的理論

為滿足車輛的動(dòng)力性需求（加速時(shí)間、最高車速、爬坡度），需利用受力關(guān)系進(jìn)行理論計(jì)算[1]。

式中：Ft——驅(qū)動(dòng)力；

Ff——滾動(dòng)阻力；

Fw——風(fēng)阻；

Fi——坡道阻力；

Fj——加速阻力。

由上述汽車行駛方程得到汽車加速阻力為[2]：（Ff+Fw），加速度為：，加速時(shí)間為。

式中：δ——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；

m——計(jì)算載荷工況下汽車質(zhì)量，kg；

du——行駛速度微分，m/s；

dt——時(shí)間微分，s。

針對(duì)前驅(qū)車計(jì)算出驅(qū)動(dòng)輪地面法向發(fā)作用力：Fz1=Gbcos?-Ghgsin?-（1+δ）hgma-，當(dāng)作用在驅(qū)動(dòng)輪上的地面法向反作用力Fz1逐漸減小，驅(qū)動(dòng)輪與地面的附著力Fφ則逐漸降低。當(dāng)加速度a達(dá)到臨界值時(shí)，F(xiàn)t=Fφ=Fz1φ。

對(duì)上面公式進(jìn)行三元一次方程計(jì)算，得到打滑扭矩[2]：。

式中：Ttq——電機(jī)輸出扭矩，Nm；

G——整車質(zhì)量,kg；

φ——附著系數(shù)；

r——車輪滾動(dòng)半徑，m；

?——道路坡角，°；

b——質(zhì)心到后軸距離，mm；

f——滾動(dòng)阻力系數(shù)；

h——質(zhì)心高度，mm；

g——重力單位，N/kg；

L——軸距，mm；

i——驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比；

η——傳動(dòng)效率。

基于Cruise軟件，純電車型整車參數(shù)模塊的建立如圖1所示。

圖1 仿真模型

2 仿真模型搭建和計(jì)算

項(xiàng)目前期已選取搭載3合1的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)為永磁同步電機(jī)，其主要參數(shù)分別包括電機(jī)峰值功率與額定功率、電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速、電機(jī)峰值扭矩與額定轉(zhuǎn)矩。本文中選型電機(jī)的峰值功率為160 kW，額定功率65 kW；峰值轉(zhuǎn)速16000 r/min，額定轉(zhuǎn)速4500 r/min；峰值扭矩315 Nm，額定轉(zhuǎn)矩145 Nm；單擋減速器，主減速比9.1。用于仿真的電機(jī)外特性曲線見圖2。整車整備質(zhì)量1770 kg，半載質(zhì)量1958 kg，滿載質(zhì)量2145 kg，迎風(fēng)面積2.8 m2，風(fēng)阻系數(shù)0.26，輪胎選型235/45,R20。輸入以上基本參數(shù)，用Cruise模型計(jì)算得出百公里加速時(shí)間仿真值為8.8 s，不滿足目標(biāo)值≤8 s要求。百公里加速仿真輸出曲線見圖3。

圖2 輸入仿真的電機(jī)外特性曲線

圖3 百公里加速仿真曲線

3 問題分析

對(duì)造成百公里加速仿真結(jié)果不達(dá)標(biāo)的各影響因子進(jìn)行專項(xiàng)分析。影響整車動(dòng)力性的因素包括：整車的整備質(zhì)量、軸荷分配、迎風(fēng)面積、風(fēng)阻系數(shù)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的外特性以及減速器速比。其中，整備質(zhì)量和軸荷分配屬于整車基本參數(shù)，迎風(fēng)面積和風(fēng)阻系數(shù)多涉及造型更改，以上因素雖然影響動(dòng)力性，但在設(shè)計(jì)前期基本凍結(jié)，不可以輕易調(diào)整。速比涉及續(xù)航和動(dòng)力性的平衡，確定之后也不能輕易更改。結(jié)合以往開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，電機(jī)外特性是影響動(dòng)力性的關(guān)鍵因素，針對(duì)外特性曲線進(jìn)行優(yōu)化是較為可行的方法。外特性曲線常分為恒扭矩和恒功率2段。本文選型電機(jī)的設(shè)計(jì)峰值扭矩為315 N·m，但輸出扭矩為230 N·m，經(jīng)確認(rèn)是受底盤輪胎的抓地力要求限制，此為第1個(gè)問題點(diǎn)。仿真分析后，同步開展實(shí)車摸底試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)過程中的CAN信號(hào)進(jìn)行分析，繼而發(fā)現(xiàn)恒功率段的實(shí)際輸出扭矩明顯低于標(biāo)稱扭矩，此為第2個(gè)問題點(diǎn)。針對(duì)以上2項(xiàng)問題，進(jìn)行專項(xiàng)優(yōu)化和驗(yàn)證。

4 動(dòng)力性能優(yōu)化提升

經(jīng)過前期仿真和初步摸底試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題并找到改善方向，通過多次整車測(cè)試驗(yàn)證，進(jìn)行動(dòng)力性能的調(diào)校和參數(shù)優(yōu)化。

4.1 電機(jī)實(shí)際峰值扭矩提升

通過校核整車參數(shù)，按照整車基準(zhǔn)質(zhì)量、路面附著系數(shù)取0.9，先對(duì)輪胎最大附著力進(jìn)行理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)輪胎不打滑的最大扭矩為1461 N·m，電機(jī)峰值扭矩輸出極限為230.69 N·m，其中已考慮了軸荷轉(zhuǎn)移的影響。結(jié)合實(shí)際道路滑摩系數(shù)的變化，以及動(dòng)力性試驗(yàn)中半載質(zhì)量的加載要求［3］，進(jìn)行了實(shí)車摸底驗(yàn)證。電機(jī)峰值扭矩先以230 N·m為基礎(chǔ)，進(jìn)行百公里加速試驗(yàn)，通過圖4的CANoe報(bào)文數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，加速過程出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

圖4 百公里加速試驗(yàn)報(bào)文分析

為了提升動(dòng)力性，需要進(jìn)行輪胎抓地力優(yōu)化，經(jīng)過多次輪胎調(diào)校和性能優(yōu)化，最終鎖定方案，通過調(diào)整橡膠紋路實(shí)現(xiàn)峰值扭矩的提升。因?yàn)閭鲃?dòng)軸選型為同平臺(tái)項(xiàng)目的沿用件，設(shè)計(jì)扭矩極限為290 N·m，導(dǎo)致輪胎能夠做到的打滑極限最終調(diào)校至285 N·m，再經(jīng)過圖5的百公里加速驗(yàn)證，0～100 km/h加速時(shí)間實(shí)測(cè)為7.9 s，相比之前提升了0.9 s，達(dá)到目標(biāo)要求，同時(shí)也解決了第1個(gè)峰值扭矩受限問題。

圖5 提升抓地力后的百公里加速

4.2 電機(jī)恒功率段扭矩提升

經(jīng)過多輪動(dòng)力性試驗(yàn)的CANoe數(shù)據(jù)采集，對(duì)比發(fā)現(xiàn)恒功率段實(shí)際輸出扭矩明顯低于標(biāo)稱扭矩。扭矩受功率影響，而功率由電流大小決定。再對(duì)恒功率段的電流信號(hào)BMS_Pack_Current分析，發(fā)現(xiàn)恒功率段的輸出峰值電流為450 A，而IGBT允許輸出電流是500 A。發(fā)現(xiàn)此問題后，經(jīng)與動(dòng)力標(biāo)定部門的多次溝通以及耐久驗(yàn)證后，一致同意對(duì)BMS軟件進(jìn)行標(biāo)定優(yōu)化，放開電流限值。如圖6所示，IGBT電流放開至500 A，恒功率段整體扭矩提升，百公里加速再次提升0.4 s，解決了第2個(gè)實(shí)際輸出扭矩偏小問題，進(jìn)一步提升了動(dòng)力性。

圖6 電流放開前后的扭矩變化曲線

5 結(jié)論

文章以某純電動(dòng)汽車的整車動(dòng)力性提升為例，通過前期的Cruise仿真和理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)百公里加速不達(dá)標(biāo)的問題，因此針對(duì)影響動(dòng)力性的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，進(jìn)而給出優(yōu)化方案：1）通過輪胎抓地力優(yōu)化來提升電機(jī)的峰值扭矩輸出，并進(jìn)行多次的整車試驗(yàn)驗(yàn)證，借助整車CANoe測(cè)試手段對(duì)數(shù)據(jù)跟進(jìn)和確認(rèn)，進(jìn)而鎖定峰值扭矩參數(shù)；2）通過對(duì)IGBT電流輸出和BMS軟件標(biāo)定優(yōu)化來提升功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了恒功率段扭矩的改善，最終實(shí)現(xiàn)百公里加速性能的明顯提升并達(dá)標(biāo)。