一種純電動(dòng)汽車提升NEDC效率的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析

　　陳士剛

　?。ㄆ嫒鹦履茉雌嚰夹g(shù)有限公司，安徽 蕪湖 241002）

　　摘要：基于某純電動(dòng)汽車整車參數(shù)，對(duì)比當(dāng)前大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配單速比減速器和小功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配雙速比減速器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和NEDC效率分析。通過對(duì)雙速比減速器匹配小電機(jī)在不同換檔車速下的NEDC轉(zhuǎn)速、扭矩分析，其對(duì)應(yīng)的效率MAP分布集中在小電機(jī)高效區(qū)，其NEDC效率比大電機(jī)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(jī)匹配雙速比減速器動(dòng)力性也滿足要求，為純電動(dòng)汽車降本、降耗提效提供了一種方法。

　　關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；雙速比；NEDC工況；效率MAP

　　0 引言

　　隨著石油資源日趨緊張及環(huán)境問題日益嚴(yán)重 ^[1] ，新能源汽車越來越多的普及到人們生活中，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)和減速器相匹配以達(dá)到驅(qū)動(dòng)整車的作用，純電動(dòng)汽車作為新能源汽車行業(yè)的主要車型。類似于傳統(tǒng)汽油車油耗指標(biāo)，電耗也是考核電動(dòng)車性能的一項(xiàng)重要參數(shù)，也是衡量新能源汽車補(bǔ)貼的關(guān)鍵指標(biāo)，國家對(duì)電動(dòng)車整車電耗指標(biāo)制定了相關(guān)的法規(guī)政策，如NEDC（歐洲循環(huán)工況，New Europe Driving Cycle，簡(jiǎn)稱“NEDC”）能量消耗率、整車能耗限值以及雙積分能耗等。整車電耗實(shí)際代表了整車各部件的用電消耗量，近年來有很多文獻(xiàn)對(duì)電動(dòng)車降耗提效進(jìn)行了研究。周兵^[2] 等基于某行駛工況對(duì)純電動(dòng)汽車傳動(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] 通過對(duì)純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化及策略分析，對(duì)單電機(jī)單級(jí)減速器和雙電機(jī)兩檔減速器的NEDC工況效率分別進(jìn)行了計(jì)算，顯示采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案能夠獲得更高的系統(tǒng)效率；章艷 ^[4] 通過對(duì)純電動(dòng)汽車的能量回收策略的優(yōu)化，適當(dāng)?shù)奶岣吡穗姍C(jī)制動(dòng)起作用的時(shí)間及比例有效的延長了整車?yán)m(xù)航里程、降低了整車電耗；楊磊 ^[5] 對(duì)影響純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性的能量傳遞各部件進(jìn)行分析，包括電機(jī)、電控、蓄電池等傳遞效率；并提出了改善純電動(dòng)汽車的能耗經(jīng)濟(jì)性措施等。

　　本文通過對(duì)某純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由大功率電機(jī)匹配單速比減速器方案更改為小功率電機(jī)匹配雙速比減速器方案分析，結(jié)果顯示動(dòng)力性滿足要求、整車NEDC工況分布更趨于電機(jī)系統(tǒng)的高效區(qū)間，NEDC平均效率提高約8%，降低了整車電量消耗、提升了整車的續(xù)航里程，為純電動(dòng)汽車降本、降耗提效提供了一種方法。

　　1 基本參數(shù)

　　本文是基于某純電動(dòng)汽車搭載的大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配單速比減速器，更改由小功率電機(jī)匹配雙速比減速器下的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及NEDC效率對(duì)比分析，其電動(dòng)機(jī)及減速器參數(shù)如表1。雙速比減速器在實(shí)際匹配過程中存在換檔操作，即在某車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(duì)應(yīng)的小電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速會(huì)做相應(yīng)的更改，對(duì)應(yīng)的NEDC工況也就是后文所說的換檔NEDC工況有變化。

　　基于表1參數(shù)，大、小功率電機(jī)對(duì)應(yīng)的外特性參數(shù)如圖1，可知大電機(jī)外特性轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速比小電機(jī)的轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速小，這個(gè)對(duì)整車動(dòng)力性有影響，在本文的分析中也可彌補(bǔ)小電機(jī)動(dòng)力性偏弱的劣勢(shì)。

　　2 電動(dòng)汽車動(dòng)力性分析

　　2.1 電機(jī)拐點(diǎn)車速

　　大電機(jī)匹配單速比減速器時(shí)，電機(jī)外特性拐點(diǎn)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)整車車速為：V 大 =N 折 ×0.307×0.377/S 單V 大 =39.5（km/h）式中，N 折 為轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速（下同），0.307為輪胎半徑，0.377為轉(zhuǎn)化單位的系數(shù)（下同）。

　　小電機(jī)匹配雙速比一級(jí)速比時(shí)，電機(jī)拐點(diǎn)轉(zhuǎn)速為（前提是采用小電機(jī)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(jī)最高車速分析

　　大電機(jī)按照整車風(fēng)阻、滑阻參數(shù)計(jì)算：

　　V max =N max ×0.307×0.377/S 單

　　V 大max =152(km/h)

　　小電機(jī)匹配雙速比減速器，電機(jī)為最高轉(zhuǎn)速、減速器為二級(jí)速比時(shí)，按上述公式帶入?yún)?shù)計(jì)算，最高轉(zhuǎn)速是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于V 大max 的。

　　經(jīng)過上述分析，小電機(jī)匹配雙速比減速器時(shí)在車速上完全能夠滿足整車定義的最高車速。

　　2.3 小電機(jī)最大轉(zhuǎn)速分析

　　通過大電機(jī)匹配單級(jí)減速器分析，大電機(jī)最高轉(zhuǎn)速時(shí)整車最高車速為V 大max ，采用雙速比減速器達(dá)到相同最高車速時(shí)，減速器實(shí)際應(yīng)為雙速比減速器的二級(jí)速比，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)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(jī)需求最大轉(zhuǎn)速最高轉(zhuǎn)速N 雙max 對(duì)應(yīng)一級(jí)速比時(shí)最大車速：

　　V max1 =N 雙max ×0.307×0.377/S 單

　　V max1 =57(km/h)

　　即電機(jī)最高轉(zhuǎn)速降至N 雙max 時(shí)，能夠保證最高車速V 大max ，軸承最高轉(zhuǎn)速可降低至N 雙ma ；且采用雙速比減速器時(shí)，一級(jí)速比整車車速達(dá)到V max1 時(shí)必須換檔，才能滿足最高車速要求；

　　2.4 小電機(jī)額定功率

　　此款純電動(dòng)車定義的最高30 min車速為V 額 時(shí)，此時(shí)整車車速穩(wěn)定維持平衡時(shí)的功率即為整車額定功率，即通常定義的電機(jī)額定功率要滿足此功率，本文只計(jì)算了整車狀態(tài)下的功率。

　　其中滿載載荷力為：

式中，V 額 =120（km/h)F 滿 為根據(jù)整車工況滑阻曲線擬合的公式，V 額 為整車額定車速，故P 額 = F 滿 * V 額=27.9(kw)

　　通 過 上 述 計(jì)算，對(duì)比小功率電機(jī)額定功率是能夠滿足整車需求的。

　　2.5 小電機(jī)輪邊扭矩分析

　　參照表1的參數(shù)，大、小電機(jī)匹配單雙速比減速器時(shí)的整車輪邊扭矩計(jì)算分布如圖2（圖2為換檔車速為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(jī)匹配的輪邊扭矩時(shí)大于大電機(jī)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(rèn)是滿足整車動(dòng)力性能的（本文不再詳細(xì)介紹）。

　　由上述分析可知，采用小電機(jī)匹配雙速比減速器時(shí)電機(jī)功率降低、轉(zhuǎn)速降低，其對(duì)應(yīng)的電機(jī)成本必然有所下降。

　　3 NEDC工況效率分析

　　3.1 NEDC工況分析

　?。?）換檔車速

　　通過上述分析，小電機(jī)匹配雙速比減速器滿足整車性能，達(dá)到最高換檔車速V max1 前必須換檔，本文基于換檔車速分別為40 km/h、45 km/h，50 km/h時(shí)對(duì)NEDC的效率分析；

　?。?）NEDC工況圖

　　3為大電機(jī)匹配單級(jí)減速器時(shí)整車NEDC仿真工況，根據(jù)NEDC仿真工況，篩選出車速40 km/h、45km/h、50 km/h時(shí)的換檔點(diǎn)。圖4為NEDC仿真工況換算出來的電機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速圖，在整車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(jí)速比換檔二級(jí)速比，也代表二級(jí)速比往一級(jí)速比換檔。

　　（3）換檔后NEDC工況

　　根據(jù)大電機(jī)匹配單速比減速器方案的NEDC工況，并結(jié)合換檔輪邊扭矩、整車車速相等原則，分別計(jì)算車速40 km/h、45 km/h，50 km/h時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速和扭矩。

　　輪邊扭矩相等：

　　整車車速相等：

　　式中、代表匹配雙速比減速器時(shí)電機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速。如圖3所示，得到三種換檔車速下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速NEDC曲線。

　　3.2 NEDC效率MAP分布

　　根據(jù)換檔前、后的NEDC轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線以及兩款電機(jī)系統(tǒng)效率MAP，并采用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析如圖6所示。結(jié)果顯示，小電機(jī)匹配雙速比減速器時(shí)的NEDC扭矩在系統(tǒng)效率上更趨向于高效區(qū)，在電動(dòng)區(qū)域部分效率點(diǎn)更是趨于92%。

　　3.3 NEDC效率分析

　　根據(jù)上述章節(jié)選取的三個(gè)換檔轉(zhuǎn)速點(diǎn)轉(zhuǎn)換成的

NEDC工況，對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速/扭矩曲線與大、小電機(jī)系統(tǒng)效率采用MATLAB進(jìn)行插值處理，對(duì)電動(dòng)模式和發(fā)電模式分別進(jìn)行效率計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

　　4 結(jié)論

　　本文通過對(duì)小功率電機(jī)匹配雙速比減速器方案與大電機(jī)匹配單速比減速器對(duì)比分析可知，小電機(jī)匹配雙速比減速器一方面可降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本，一方面對(duì)整車效率有一定提升。通過選取不同換檔車速對(duì)應(yīng)的電機(jī)NEDC轉(zhuǎn)速/扭矩曲線，采用MATLAB分別對(duì)NEDC效率與電機(jī)系統(tǒng)效率MAP進(jìn)行計(jì)算，結(jié)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。通過此方案為整車將能耗、提升續(xù)航里程以及成本控制提供一種方法。

　　參考文獻(xiàn)

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　　作者簡(jiǎn)介：

　　陳士剛，男，（1987.9-）天津理工大學(xué) 機(jī)械工程專業(yè)，碩士，工程師，主要研究方向：新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

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