基于百公里加速的电动汽车动力性能提升

祁贵兵 卢昕夕

（爱驰汽车（上海）有限公司）

随着纯电动汽车的行业发展逐渐趋向于成熟，人们越来越关注纯电动汽车的动力性能。一直以来，百公里加速时间就是衡量车辆性能的关键指标，如果说百公里加速表现突出，就意味着车辆拥有优异的动力性能，也意味着从整车驾驶到各系统开发标定，都会有较为出众的表现。文章针对三电系统已选型完成的纯电动车型，进行百公里加速的动力提升开发。在项目前期，通过Cruise仿真计算进行虚拟校核，结合动力性关键影响因子展开分析，优化轮胎抓地力并进行峰值扭矩提升实车验证，改善电池输出电流，提升恒功率段扭矩，有效地提升了百公里加速能力，体现了车型竞争力和亮点。

1 加速时间和打滑力矩的理论

为满足车辆的动力性需求（加速时间、最高车速、爬坡度），需利用受力关系进行理论计算[1]。

式中：Ft——驱动力；

Ff——滚动阻力；

Fw——风阻；

Fi——坡道阻力；

Fj——加速阻力。

由上述汽车行驶方程得到汽车加速阻力为[2]：（Ff+Fw），加速度为：，加速时间为。

式中：δ——汽车旋转质量换算系数；

m——计算载荷工况下汽车质量，kg；

du——行驶速度微分，m/s；

dt——时间微分，s。

针对前驱车计算出驱动轮地面法向发作用力：Fz1=Gbcos∂-Ghgsin∂-（1+δ）hgma-，当作用在驱动轮上的地面法向反作用力Fz1逐渐减小，驱动轮与地面的附着力Fφ则逐渐降低。当加速度a达到临界值时，Ft=Fφ=Fz1φ。

对上面公式进行三元一次方程计算，得到打滑扭矩[2]：。

式中：Ttq——电机输出扭矩，Nm；

G——整车质量,kg；

φ——附着系数；

r——车轮滚动半径，m；

∂——道路坡角，°；

b——质心到后轴距离，mm；

f——滚动阻力系数；

h——质心高度，mm；

g——重力单位，N/kg；

L——轴距，mm；

i——驱动系统传动比；

η——传动效率。

基于Cruise软件，纯电车型整车参数模块的建立如图1所示。

图1 仿真模型

2 仿真模型搭建和计算

项目前期已选取搭载3合1的电驱动系统，电机为永磁同步电机，其主要参数分别包括电机峰值功率与额定功率、电机峰值转速与额定转速、电机峰值扭矩与额定转矩。本文中选型电机的峰值功率为160 kW，额定功率65 kW；峰值转速16000 r/min，额定转速4500 r/min；峰值扭矩315 Nm，额定转矩145 Nm；单挡减速器，主减速比9.1。用于仿真的电机外特性曲线见图2。整车整备质量1770 kg，半载质量1958 kg，满载质量2145 kg，迎风面积2.8 m2，风阻系数0.26，轮胎选型235/45,R20。输入以上基本参数，用Cruise模型计算得出百公里加速时间仿真值为8.8 s，不满足目标值≤8 s要求。百公里加速仿真输出曲线见图3。

图2 输入仿真的电机外特性曲线

图3 百公里加速仿真曲线

3 问题分析

对造成百公里加速仿真结果不达标的各影响因子进行专项分析。影响整车动力性的因素包括：整车的整备质量、轴荷分配、迎风面积、风阻系数、驱动系统的外特性以及减速器速比。其中，整备质量和轴荷分配属于整车基本参数，迎风面积和风阻系数多涉及造型更改，以上因素虽然影响动力性，但在设计前期基本冻结，不可以轻易调整。速比涉及续航和动力性的平衡，确定之后也不能轻易更改。结合以往开发经验，电机外特性是影响动力性的关键因素，针对外特性曲线进行优化是较为可行的方法。外特性曲线常分为恒扭矩和恒功率2段。本文选型电机的设计峰值扭矩为315 N·m，但输出扭矩为230 N·m，经确认是受底盘轮胎的抓地力要求限制，此为第1个问题点。仿真分析后，同步开展实车摸底试验，并记录试验过程数据，同时对试验过程中的CAN信号进行分析，继而发现恒功率段的实际输出扭矩明显低于标称扭矩，此为第2个问题点。针对以上2项问题，进行专项优化和验证。

4 动力性能优化提升

经过前期仿真和初步摸底试验，发现问题并找到改善方向，通过多次整车测试验证，进行动力性能的调校和参数优化。

4.1 电机实际峰值扭矩提升

通过校核整车参数，按照整车基准质量、路面附着系数取0.9，先对轮胎最大附着力进行理论计算，发现轮胎不打滑的最大扭矩为1461 N·m，电机峰值扭矩输出极限为230.69 N·m，其中已考虑了轴荷转移的影响。结合实际道路滑摩系数的变化，以及动力性试验中半载质量的加载要求［3］，进行了实车摸底验证。电机峰值扭矩先以230 N·m为基础，进行百公里加速试验，通过图4的CANoe报文数据分析发现，加速过程出现打滑现象。

图4 百公里加速试验报文分析

为了提升动力性，需要进行轮胎抓地力优化，经过多次轮胎调校和性能优化，最终锁定方案，通过调整橡胶纹路实现峰值扭矩的提升。因为传动轴选型为同平台项目的沿用件，设计扭矩极限为290 N·m，导致轮胎能够做到的打滑极限最终调校至285 N·m，再经过图5的百公里加速验证，0～100 km/h加速时间实测为7.9 s，相比之前提升了0.9 s，达到目标要求，同时也解决了第1个峰值扭矩受限问题。

图5 提升抓地力后的百公里加速

4.2 电机恒功率段扭矩提升

经过多轮动力性试验的CANoe数据采集，对比发现恒功率段实际输出扭矩明显低于标称扭矩。扭矩受功率影响，而功率由电流大小决定。再对恒功率段的电流信号BMS_Pack_Current分析，发现恒功率段的输出峰值电流为450 A，而IGBT允许输出电流是500 A。发现此问题后，经与动力标定部门的多次沟通以及耐久验证后，一致同意对BMS软件进行标定优化，放开电流限值。如图6所示，IGBT电流放开至500 A，恒功率段整体扭矩提升，百公里加速再次提升0.4 s，解决了第2个实际输出扭矩偏小问题，进一步提升了动力性。

图6 电流放开前后的扭矩变化曲线

5 结论

文章以某纯电动汽车的整车动力性提升为例，通过前期的Cruise仿真和理论计算，发现百公里加速不达标的问题，因此针对影响动力性的关键因素进行分析，进而给出优化方案：1）通过轮胎抓地力优化来提升电机的峰值扭矩输出，并进行多次的整车试验验证，借助整车CANoe测试手段对数据跟进和确认，进而锁定峰值扭矩参数；2）通过对IGBT电流输出和BMS软件标定优化来提升功率，进而实现了恒功率段扭矩的改善，最终实现百公里加速性能的明显提升并达标。