纯电动汽车驱动系统选型及仿真研究

张志强，翟克宁，李 强，韦杰宏，黄 真，覃胤和

（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州545005）

1 概述

纯电动汽车凭借着零排放和低使用成本等优势，已经成为广受市场青睐和高速发展的汽车产品。从2008年至今，我国纯电动汽车年车型数量从不足10款，增长至超过1500款[1]；我国纯电动汽车年销量从不足500辆，至今已经突破80万辆。同时伴随自动驾驶和共享移动出行服务等增值功能及产业发展，全球纯电动汽车年销量预计在2040年将超过3000 万辆[2]。

驱动系统作为纯电动汽车的核心“三大电”之一，驱动系统的效率等对纯电动汽车动力性能及纯电续航里程有着至关重要的影响，扩大驱动系统效率大于90%的工作区域等研发工作逐渐成为了纯电动汽车技术攻关的重点[3]。

为此本文首先结合某款纯电动汽车的关键性能指标要求，对驱动系统做初步选型计算；然后搭建纯电动汽车仿真平台，结合两个驱动系统方案，开展纯电动汽车动力性和纯电续航里程等关键性能仿真计算；最后提出基于NEDC工况需求的驱动系统效率评价方法，对比分析该两个方案的优劣势，阐明驱动系统对纯电续航里程性能的影响。

2 纯电动汽车驱动系统选型计算

某款纯电动汽车基础参数和关键性能指标如表1所示。为了满足该电动汽车的动力性能需求，驱动系统的选型必须综合考虑以下三个动力性需求：最高车速需求的功率、最大爬坡度需求的功率和百公里加速时间需求的功率。

表1 某纯电动汽车基础参数和关键性能指标

（1）最高车速需求的功率

最高车速需求的功率计算如下[4]：

其中：m为汽车质量；g为重力加速度；f为汽车滚动阻力系数；vmax为最高车速；CD为风阻系数；A为迎风面积；ηT为传动效率。

（2）最大爬坡度需求的功率

最大爬坡度需求的功率计算如下[5]：

其中：α为爬坡度；va为坡道车速。

（3）百公里加速时间需求的功率

百公里加速时间需求的功率计算如下：

其中：t为0～100 km/h加速时间；δ为汽车旋转质量换算系数；va为最终加速后的车速。

为同时满足最高车速、最大爬坡度和百公里加速时间等动力性需求，驱动系统功率需大于P1、P2和P3中的最大值，即驱动系统功率需大于69 kW。

3 纯电动汽车仿真平台

为进一步评估驱动系统对纯电动汽车相关性能指标的达成情况，本文首先搭建了纯电动汽车仿真平台，如图1所示，按照纯电动汽车驱动结构方式，将纯电动汽车基础参数输入到相应仿真模块中。

图1 纯电动汽车仿真平台

结合驱动系统功率大于69 kW需求，本文初选了两个驱动系统方案，其外特性对比如图2所示。

图2 方案1和2驱动系统外特性曲线

方案1峰值扭矩达170 N·m，峰值功率为70 kW。该方案的万有特性，即系统效率分布如图3所示，该方案效率大于90%的工作区域为转速区间3 000 r/min～11 000 r/min，扭矩区间为6 N·m ～160 N·m。

图3 方案1驱动系统万有特性

方案2峰值扭矩达270 N·m，峰值功率为120 kW。该方案的系统万有特性，即系统效率分布如图4所示，该方案效率大于90%的工作区域为转速区间3 000 r/min～ 14 000 r/min，扭矩区间为9 N·m～ 207 N·m。

图4 方案2驱动系统万有特性

4 仿真结果分析

方案1和方案2对应的纯电动汽车关键性能仿真结果如表2所示。方案1和方案2均达成纯电动汽车动力性和纯电续航里程目标。受限于方案1的功率和扭矩比方案2小，方案1的动力性比方案2略差。

表2 方案1和2仿真性能汇总

从图3和图4对比可知方案1和方案2的效率特性是不相同的，方案1中效率大于90%的区域更为宽广。但是单凭该区域的大小并无法量化评估哪个方案下的纯电续航里程的性能更优。为此本文提出基于工况需求的驱动系统效率评价方法，具体如下：1、首先针对续航里程工况（NEDC），对仿真过程中驱动系统工作的转速和扭矩进行归类统计，将高频出现的工况进行汇总；2、将高频工况对应驱动系统效率进行统计，如驱动系统效率大于90%的工况占比越多，则说明该驱动系统在NEDC工况下工作表现越优，纯电续航里程越长。

表3和表4分别给出了方案1和方案2在NEDC工况下，驱动系统的高频工况点汇总。这10个高频工况点出现的时间总和占整个NEDC工况时间的92%以上，这说明该10个高频工况下驱动系统的效率表现是能够反映其在NEDC工况下的性能表现。

表3 方案1高频工况汇总

表4 方案2高频工况汇总

将方案1和方案2的高频工况点绘制到万有特性图中，分别如图5和图6所示。图中圈的大小表征对应工况占比，圈的中心表征对应工况转速和扭矩。从高频工况点的分布可知，方案1的高频工况比方案2更多的分布在驱动系统效率较高的区域。

图5 方案1驱动系统高频工况点

图6 方案2驱动系统高频工况点

为进一步量化这两个方案的效率表现，将驱动系统效率大于80%、90%和93%的工况占比进行汇总统计，如表5所示。方案1的效率大于80%、90%和93%的工况占比方案2要更大，这也能够量化说明在NEDC工况下，方案1的驱动系统工作效率比方案更优，这也是方案1的纯电续航里程性能比方案2更优的原因。

表5 不同效率下的高频工况占比汇总

5 结论

（1）纯电动汽车驱动系统选型必需同时满足最高车速、最大爬坡度和百公里加速时间等动力性能及功率要求。

（2）基于工况需求的驱动系统效率评价方法，可以有效地评估驱动系统对纯电续航里程性能的影响。