后驱纯电动轻型商用车驱动系统参数匹配及续航里程提升仿真研究.pdf

学术|制造研究ACADEMIC031AUTO DRIVING&SERVICE2023.07（东风柳州汽车有限公司，柳州 545005）（上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545007）蒋华梁、覃祥、姜宏霞、陈文摘要：本文针对后驱纯电动轻型商用车驱动系统参数匹配方法完整性，以及中国轻型商用车行驶工况（CLTC-C）下续驶里程短的问题，建立了较完备的驱动系统参数匹配方法和续航里程提升的数学模型。同时该研究基于 AMEsim 整车动力经济性仿真模型，对整车动力经济性进行了仿真，仿真结果满足整车性能指标要求。经过参数敏感性分析，得到了各因素对续航提升的影响百分比，形成了整车项目续航里程提升开发清单。实际项目续航提升清单梳理匹配后，CLTC-C 工况下仿真续航里程提升 6.6%，为整车厂续航提升及管控工作提供一种可靠的理论和方法。关键词：后驱纯电动；轻型商用车；参数匹配；敏感性分析；续航提升；AMEsim中图分类号：U462.3 文献标识码：A后驱纯电动轻型商用车驱动系统参数匹配及续航里程提升仿真研究0 引言在我国汽车市场，商用车保有量约占汽车保有量的 12，但商用车辆排放中的 NO 和 PM 污染物排放量分担率高达 80，温室气体排放量占道路交通总排放量的 77。因此，商用车是汽车产业减污降碳的关键之一1。为了响应国家节能减排的政策需要，GB 20997轻型商用车辆燃料消耗量限值第四阶段限值标准对 N1 类轻型商用汽油车油耗限值进一步加严 10%15%，轻型商用车的平均油耗标准预计也会在 2026 年 1 月 1 日考核。基于轻型商用汽油车第四阶段限值和企业平均油耗考核要求，开发纯电动轻型商用车势在必行。当前我国电动商用车发展仍面临续驶里程短的问题，而驱动系统参数的匹配是影响续航里程的关键因素。为研究纯电动轻型商用车续驶里程的提升和驱动系统参数匹配方法，相关学者做了较多研究。续驶里程提升方面，彭鹏峰等提出了以提高电机效率的 3 挡传动系统参数匹配方法提高电机的能量利用率，新欧洲标准行驶循环工况（NEDC）下续驶里程提升了 14.1%2；王永鼎等提出了汽车前后轴制动力分配策略，制定能量回收策略，NEDC工况下总能量回收率提升 1.97%3。驱动系统参数匹配方面，施佳能等根据某款纯电动商用车经济性与动力性的要求，进行了动力参数匹配4；孙国庆等基于某型纯电动商用车总体设计指标，采用理论公式计算初步选定了动力系统参数5。但以上的参数匹配完整性不够，续航提升针对 NEDC 工况，且续航提升方法较单一，续航管控时无法为全面挖掘整车续航潜力提供指导。本文以后驱纯电动轻型商用车为研究对象，解析其驱动系统参数匹配理论，并基于 AMEsim 进行整车动力经济性仿真，根据匹配理论部分找出 CLTC-C 工况下与续航相关的因素，进行参数敏感性分析。1 驱动系统性能参数匹配理论后驱纯电动轻型商用车动力系统包括电机控制器、驱动电机、主减速器三合一、动力电池、高压配电盒、车载充电器 OBC与直流变换器 DCDC、低压蓄电池、低压负载以及慢充系统等，OBC 和 DCDC 集成于高压配电盒（图 1）。高压电池输出电能，通过电机控制器驱动电机运转，将电能转换成机械能。驱动电机输出扭矩经过主减速器减速增扭后，驱动车辆行驶。图 1 后驱纯电动轻型商用车驱动系统结构示意图学术|制造研究ACADEMIC032AUTO DRIVING&SERVICE2023.07 （5）式中：Vslope4为 4%坡度爬坡车速的数值，按国标 GB/T 283822012 规定车速为 60 km/h；slope4为坡度值 4%。12%坡度一定车速电机峰值功率为：（6）式中：Vslope12为 12%坡度爬坡车速，按国标 GB/T 283822012 规定车速为 30 km/h；slope12为坡度值 12%。最大爬坡度需求电机峰值功率为：（7）式中：Vmaxslope为最大爬坡度爬坡车速的数值，单位 km/h；为最大爬坡度，应不低于国标 GB/T 283822012 规定的最小20%坡度值。整车跟随 CLTC 工况第i点的电机功率为：（8）式中：Vi为 CLTC 工况第i点车速的数值，单位 km/h；V（i-1）为 CLTC 工况第（i-1）点车速的数值，单位 km/h。电机的额定功率根据最高车速确定，为：PrP2 （9）根据电机最大功率、额定功率及供应商提供的电机样件参数，选择电机最大转速nmax和最大扭矩Tmax，并根据速比选择进行适应性调整。1.2 传动系统速比匹配轻型商用车一般采用单级减速器，在传动比的匹配过程中，1.1 驱动电机系统参数匹配纯电动轻型商用车按满载考核整车动力性指标，驱动电机的峰值功率需要满足满载条件下最高车速、加速和爬坡的功率需求6。爬坡功率需求包括满足国标 GB/T 283822012纯电动乘用车 技术条件维持满载爬坡车速的功率需求，以及车辆满载最大爬坡度目标车速的功率需求。加速功率需求包括满足 CLTC工况下，整车按测试质量加载跟随车速曲线的功率需求和初始车速到终止车速的加速功率需求。即驱动电机的峰值功率为：Pm maxP1，P2，P3，P4，P5，P6，max（P7i）（1）式中：Pm为驱动电机峰值功率的数值，单位 kW；P1为最高车速电机峰值功率丰的数值，单位 kW；P2为 30 min 最高车速电机峰值功率的数值，单位 kW；P3为从初始速度加速到终止车速加速功率需求的数值，单位 kW；P4为 4%坡度一定车速电机峰值功率的数值，单位 kW；P5为 12%坡度一定车速电机峰值峰值功率的数值，单位 kW；P6为最大爬坡度对应电机峰值功率的数值，单位 kW；P7i为整车跟随 CLTC 工况第i点电机功率的数值，单位 kW。最高车速电机峰值功率为：式中：MGVM为整车满载质量的数值，单位 kg；Vmax为最高车速的数值，单位 km/h；A为迎风面积的数值，单位 m2；Cd为风阻系数的数值；g为重力加速度的数值，取 9.8 km/s2；f为滚阻系数的数值，按 SAEJ-2452 测试标准测试获得；t为传动系统效率。30 min 最高车速电机峰值功率为：式中：V30min为 30 min 最高车速的数值，单位 km/h。满足加速时间要求的电机峰值功率为P3：式中：t为车速U1加速到U2加速时间的数值，单位 s；V为车速的数值，单位 km/h；nm为电机转速的数值，单位r/min；r为轮胎滚动半径的数值，单位 m；为旋转质量换算系数的数值。4%坡度一定车速电机峰值功率为：学术|制造研究ACADEMIC033AUTO DRIVING&SERVICE2023.07主减速比需要满足最大爬坡度要求的最小传动比。同时，主减速比不大于满足最高车速需求的最大速比和不大于根据摩擦力极限确定的最大传动比，即主减速比为：iminiimax （10）式中：imin为满足最大爬坡度对应的最小传动比；imax为满足最高车速对应的最大传动比。满足最大爬坡度对应的最小传动比为：满足最高车速对应的最大传动比为：1.3 动力蓄电池系统性能参数匹配动力电池的匹配按输入的续驶里程目标和循环的能量需求进行计算，CLTC-C 工况动力电池放电正功为：式中：m为电机电控系统效率。CLTC-C 工况动力电池放电负功为：CLTC-C 工况循环电池电耗功为：式中：c为制动能量回收比例目标；Pd为低压功耗的数值，kW h；dcdc为 DCDC 工作效率；batt为电池充电效率。满足续驶里程目标的动力电池电量需求为：式中：CBatt为电池容量的数值，单位 kW h；Rtarget为纯电续驶里程目标的数值，单位 km；Battdis为动力电池的放电深度；SCLTC为 CLTC-C 工况里程的数值，取 16.43 km。2 驱动系统匹配结果分析驱动系统参数匹配所需的纯电动轻型商用车的整车主要参数输入如表 1 所示。参照公式（1）公式（16），代入表 1 中所列整车参数，最终选定的驱动系统性能参数匹配理论匹配的结果（表 2）。项目主要参数整备质量/kg1 320满载质量/kg2 270风阻系数迎风面积/m20.472.67传动效率0.95%轮胎滚动半径/m0.298滚阻系数7.5表 1 整车主要参数输入表表 2 驱动系统性能参数匹配结果分类项目匹配值驱动电机峰值功率/kW55峰值扭矩/Nm210最大转速/（r/min）8 500电池电池容量/kWh33.00主减速比9.43 整车动力经济性仿真分析为进一步对整车动力经济性仿真，本文中采用基于 AMEsim软件建立纯电动轻型商用车整车动力经济性仿真分析模型，模型包括驾驶员模块、整车模块、控制器模块、电机模块、电池模块、低压附件损失模块、外部环境模块、DCDC 模块和传动模块，如图 2 所示。其中控制器模型包含能量回收策略，能量回收策略为电机用于制动车辆并使电池回收，如果电机不能提供所需的扭矩，控制器使用车辆机械制动器来完成制动。将表 1 整车参数和表 2 匹配的驱动系统性能参数代入整车动力经济性仿真模型，仿真结果主要包括加速时间、爬坡度及纯电续航里程结果，仿真结果满足整车性能目标要求。说明驱动系统性能参数匹配理论得到正确验证，可用此模型进行整车动力经济性的仿真及续驶里程的敏感性分析和优化。动力经济性仿真结果见表 3 所示。4 续驶里程影响因素敏感性仿真分析由式（16）可知，最终的续航里程的数学模型为：由式（17）可知，影响续驶里程的因素为：最高车速、测试质量、风阻、轮胎滚阻、驱动电机效率、能量回收率、低压附件功耗损失、DCDC 转换效率和电池充电效率。速比影响电机在 CLTC-C 工况学术|制造研究ACADEMIC034AUTO DRIVING&SERVICE2023.07图 2 整车动力经济性仿真模型下运行点，间接影响了驱动电机的效率，故驱动电机的效率不仅包括电机本体的效率，电机电控效率的效率，还包括电机不同速比下的工况效率。为分析各个因素对续驶里程的影响，本文按表4 设置了仿真分析矩阵，将表 1 和表 2 输入到整车动力经济性仿真模型中，利用 AMEsim 的批处理仿真功能进行仿真。仿真时需保持单一变量输入，其他参数保持不变，仿真续航结果变化平均比例如表 4 所示。续航变化平均比例是负值，说明该因素按仿真输入列表变化时续航结果是减少的。根据上述敏感性分析结果表，形成项目可执行清单，输入项目开发中，将此形成可执行清单。可执行清单中，测试质量降低 50 kg，风阻系数减少 0.1，滚阻系数降低 5.0，电机效率平均提升 1%，能量回收率提升 10%，低压功耗降低 0.020 kWh，最高车速、DCDC 效率和电池充电效率以及主减速比保持不变，输入到整车动力经济性仿真模型中，CLTC-C 工况下续航里程提升 6.6%。表 3 整车动力经济性仿真分析结果汇总表表 4 仿真续航变化平均比例结果汇总表项目仿真性能目标050 km/h加速时间/s7.88.25080 km/h加速时间/s8.59.0最大爬坡度22%20%纯电续航里程/km231225序号因素仿真输入列表续航变化平均比例1最高车速/（km/h）80，85，90-2.0%2测试质量/kg1 498，1 548，1 598-1.0%3风阻系数0.45，0.46，0.47-1.0%4轮胎滚阻7.0，7.5，8.0-2.0%5电机平均效率0.90，0.91，0.921.3%6能量回收率0.85，0.90，0.951.0%7低压损失功/kW0.08，0.09，0.10-0.3%8DCDC效率0.94，0.96，0.980.1%9电池充电效率0.94，0.96，0.981%10主减速比9.00，9.40，9.87-0.4%学术|制造研究ACADEMIC035AUTO DRIVING&SERVICE2023.07【参考文献】作者简介:蒋华梁，硕士，工程师，研究方向为整车动力经济性集成。1邱彬,彭海丽.我国商用车低碳化发展环境研究与技术路径分析 J 汽车工程学报,2022,12(2):127-136.2彭鹏峰,许新权,曾洁琼.基于电机效率的纯电动汽车传动系统参数匹配研究 J.机械设计与制造,2021,6:39-44.3王永鼎,裴开雅.纯电动汽车制动能量回收策略优化研究 J.机械科学与技术,2022,41(9):1436-1441.4施佳能,韦尚军,丘云燕,等.基于 CRUISE 的纯电动商用车动力参数匹配及仿真分析 J.电子质量,2022(03):67-72.5孙国庆,叶硼林,余翔宇,等.纯电动商用车动力系统选型及其基于Cruise 的动力性经济性仿真 J.汽车实用技术,2020(05):11-14+22.6余志生.汽车理论 M.北京:机械工业出版社,2018.5 结束语本研究为解决轻型商用车驱动系统参数匹配方法不够系统的问题以及满足续航里程提升的需求，建立了对应的数学模型和整车仿真模型，进行了多个参数单一变量的敏感性分析，结论如下。（1）对后驱纯电动商用车驱动系统性能参数进行了详细的理论分析，建立了续航提升的数学模型，按驱动系统性能参数理论匹配结果进行了整车动力经济性仿真，模型仿真结果满足动力经济性目标值。（2）按驱动系统性能参数匹配理论找出了影响续驶里程的影响因素，并进行了敏感性仿真分析。分析得到了整车最高车速、测试质量、风阻、滚阻及电机效率、能量回收率、低压附件功耗损失、DCDC 转换效率、电池充电效率以及速比变化对续驶里程影响的具体比例，形成了项目可执行清单。根据项目实际开发匹配，CLTC-C 工况下整车续航里程仿真提升 6.6%。（3）驱动系统性能参数匹配理论和敏感性分析的结果为整车厂提升续驶里程提供了理论指导和项目开发具体工作清单，对整车厂纯电动汽车续驶里程提升工作具有一定的参考价值。后续将进一步开展整车滑阻测试、动力性测试和实车测试单一变量对续航里程的影响结果及续航里程的能量流测试，完善仿真模型层级，综合优化提升实车续航里程。【参考文献】1周晓翠,崔长军,钟涛等.基于 Aspice 的汽车软件开发流程实践 J.汽车实用技术,2020(01):109-110+125.2中国汽车工程学会.汽车智能座舱分级与综合评价白皮书 EB/OL.（2023-04-20）2023-06-06.https:/ D.上海:上海交通大学,2018.4武翔宇,赵德华,郝铁亮.浅谈汽车 OTA 的现状与未来发展趋势 J.汽车实用技术,2019(03):214-216.5吕钊凤.李克强教授：中国智能网联汽车产业化的五大挑战及八条建议J.智能网联汽车,2019(04):16-20.作者简介:姜洪亮，硕士，高级工程师，研究方向为智能网联汽车架构、智能座舱技术、车载通信技术、车载计算平台技术及云控基础平台等。（上接第 30 页）统操作的理解和学习成本等。指标包括用户学习时间、学习曲线和用户满意度等。3.10 愉悦性验证3.10.1 测试方法（1）用户场景测试：通过模拟用户在不同场景下的使用情况，测试用户在使用系统过程中的情绪感受和满意度，包括测量用户的心率、皮肤电反应和呼吸频率等生理指标，评估用户在使用系统过程中的情绪感受。（2）用户调查：通过用户调查、用户访谈等方式，了解用户对系统的使用体验和情感感受，了解用户的满意度及对系统的推荐度、使用体验和改进建议等。3.10.2 测试指标（1）用户情绪感受：测试用户在使用系统过程中的情绪感受，包括用户的信任感、趣味性和认同感等。指标包括用户满意度、信任度和认同感等。（2）用户满意度：测试用户对系统的满意度，包括系统的功能、操作和界面设计等方面。指标包括用户满意度、用户体验度和用户推荐度等。4 结束语目前，汽车的网联化和智能化已进入快速发展和产品竞争深水区5，优秀的架构设计及其高效的验证体系已成为各主机厂的基础能力。本文通过建立网联系统的架构设计原则，提练关键特性，建立了覆盖系统设计、产品视角和用户体验的全面验证体系，期望能给相关机构或单位提供参考。