纯电动轿车传动系统匹配对能耗的影响

刘德兴，叶磊，张涛，彭冲

纯电动轿车传动系统匹配对能耗的影响

刘德兴1,2，叶磊1,2，张涛1,2，彭冲1,2

（1.招商局检测车辆技术研究院有限公司 国家客车质量监督检验中心，重庆 401122；2.电动汽车安全评价重庆市工业和信息化重点实验室，重庆 401122）

文章以北汽E150EV纯电动轿车为研究对象，首先在Matlab中建立车辆模型，并利用实车数据对模型进行标定和验证，然后结合实际运行工况，通过仿真分析单减速比和两挡变速器传动系统对车辆能耗的影响。

纯电动轿车；传动系统；匹配；效率；能耗；仿真

前言

纯电动轿车的驱动形式有：单电机单传动比、单电机两挡变速器以及四轮独立驱动等。目前大多数纯电动轿车采用单电机单传动比驱动形式，主要是因为电机的调速范围宽，低速转矩大，能够满足车辆动力性要求，而去掉变速器可以节省成本，减轻车辆重量。

对于单电机单传动比驱动形式，在选择减速比时需要兼顾车辆起步加速性能和最高车速。传动比不同还会导致电机的工作区域发生变化，从而导致系统效率不同。传统的传动比设计方法主要考虑动力性和最高车速[1-4]，有的基于工况进行传动比设计[5-6]。

如果纯电动轿车使用两挡变速器，会增加系统复杂程度，但是可以使电机更多地工作在高效率区域，并且可以减小电机功率和尺寸。本文将定量分析两挡变速器对车辆能耗的影响。

1 仿真建模

首先在Matlab/Simulink环境下建立E150EV电动车模型，并进行0 km/h～50 km/h、0 km/h～100 km/h直线加速仿真，并利用实车数据对模型进行标定和验证。纯电动汽车的驱动系统结构如图1所示，电机通过主减速器直接驱动差速器。整车模型结构如图2所示，模型包括电机模型、电池组模型、传动系统模型以及车辆动力学模型。

图1 纯电动轿车驱动系统示意图

图2 车辆仿真模型

1.1 电机模型

电机模型主要考虑电机的转矩外特性和电机工作效率。仿真过程中，根据车辆运行工况计算出需要的电机转矩，如果电机在当前转速下能达到需求转矩，则输出需求转矩，否则输出电机的最大转矩。

式中，m,req是需求的电机转矩；m,dis和m,chg分别是电机驱动状态下的最大输出转矩和发电状态下的最大输入转矩；m和m分别是电机的转速和转矩。

图3为电机的效率图，包括驱动效率和发电效率，其中驱动效率为电机输出动力时的效率，发电效率为电机处于发电状态时的效率。

图3 电机效率图

1.2 电池组模型

电池组采用图4所示的内阻模型，忽略温度对电池的影响，该模型电池组SOC状态方程为[7]：

VOC是电池组的开路电压，Rint为内阻，这两个参数是SOC的函数。Qb是电池组的电容量，Rt是电池组的端电阻。

1.3 车辆动力学模型

车辆动力学模型简化为单质量点纵向动力学模型[1]：为车速，0是车重，包括汽车整备质量以及载重，r=0+r/w2为车辆等效惯性质量，r为车轮、电机以及传动轴等旋转件的转动惯量，w为车轮半径。d、f、w分别为驱动力、滚动阻力和风阻，本文不考虑坡度。是仿真时间步长。

2 仿真计算与模型标定验证

车辆数学模型建好以后，需要根据实车数据对模型参数进行标定校准，主要包括车辆动力性和能耗计算两方面，使模型仿真结果能正确反映车辆实际运行状况。对于动力性，已知E150EV电动车0 km/h～50 km/h和0 km/h～100 km/h的直线加速时间，参照此数据对两个车辆模型的参数进行微调，使其与实车数据吻合。

对于能量消耗，选取北京市郊县电动出租车实际运行工况对E150EV轿车进行校准和验证。

2.1 直线加速仿真

表1列出了加速时间的仿真与实测数据，两值基本吻合。

表1 模型仿真直驶加速时间

项目0 km/h～50 km/h加速时间/s0 km/h～100 km/h加速时间/s 仿真结果6.820.9 实测结果6.821

2.2 北京市郊县出租车实际工况

图5列出了4辆北京市示范运行纯电动出租车一天24小时的运行数据，这4辆车包含3种车型，包含2辆电池电量为21 kWh的北汽E150EV、1辆电池电量为24 kWh的长安E30和1辆电池电量为24.8 kWh的现代首旺500E，且4辆车分布在不同区域。行驶里程约在150 km～230 km之间，电耗约在29 kWh～32 kWh之间。换算为百公里电耗，如表2所示。通过数据可以看到，北京市郊县出租车运行工况比较一致，最高车速基本不超过80 km/h。

表2 北京市电动出租车运行数据

房山E30平谷E150EV平谷500E密云E150EV 百公里电耗/(kWh/100 km)13.9614.5021.3815.84

图5 北京市电动车运行工况

选取第二组数据平谷区北汽E150EV工况中16:30至17:30为仿真工况，时间7 622 s，平均车速28.7 km/h，最高车速80 km/h，里程58.1 km。实车数据显示，SOC由91.6%（19.2 kWh）降到53.6%（11.2 kWh），过程耗电8.0 kWh，百公里耗电13.8 kWh。

2.3 标定验证

以起始SOC 91.6%开始仿真，并根据仿真结果对模型系统效率参数进行调整标定，使模型与实际情况相符。最终仿真结果如图6所示：SOC从91.6%降到53.7%，驱动耗电9.73 kWh，回收1.8 kWh，占总耗电18.5%，合计耗电7.93 kWh。电机工作点如图3所示。

图6 北京市郊县运行工况

为了验证模型的适应性，选取同一辆车当天上午的一段工况进行验证，如图7所示。工况为3 010 s，里程19.3 km，平均时速23.1 km/h。实车SOC由69.2%降到56.8%，仿真结果SOC降到56.3%，误差1%。说明标定后的模型计算的能耗与实车相符。

图7 模型验证

用标定好的模型分别运行NEDC工况和如图6所示的北京郊县工况，得到NEDC工况和北京郊县工况百公里能耗数据分别为17.20 kWh/100 km和13.77 kWh/100 km。

本节利用E150EV车辆模型进行了直驶加速仿真和工况仿真，并利用实车数据对模型参数进行了标定。仿真结果表明，该模型无论在动力性还是电能消耗计算方面，都与实车数据吻合。

3 单减速比对能耗的影响

由图3电机效率图可知，一般8 000 r/min的高速电机，最高效率区域大约在4 000 r/min的中高转矩区域。如果以提高系统效率为目标，则希望电机的工作点尽量多地分布在高效率区域。由电机工作点分布图可知，电机的高效率区域没有得到充分利用。直观地看，如果增加减速比，使电机工作点向右移动，有可能会提高系统效率，减少能耗。本节将尝试不同的减速比，观察其对能耗的影响。

图8 减速比对能耗的影响

图9 E150EV功率和转速统计分析

本次仿真把NEDC工况的最高车速限制在80 km/h以内，里程变为10.4 km，以保证在大范围变化减速比动力性仍然能满足工况要求。图8显示了E150EV在两种工况下主减速比与能耗的关系，轴画出了各减速比下的能耗相对于最低能耗的额外能量消耗率。从图中数据可知，虽然减速比与能耗有一定关系，但是减速比在最佳值附近变化，对能耗的影响很小。而且E150EV原车减速比对于北京市郊县工况就位于最佳点上，增加减速比虽然使电机工作点向高效率转速区域移动，但是增加转速的同时降低了转矩，导致效率下降。

表3 单减速比最低能耗数据

车型NEDC工况北京郊县工况 北汽E150EV/(kWh/100 km)14.4913.64

图9统计了E150EV在两种工况下的功率和电机转速分布，发现需求功率集中在20 kW以内，超过30 kW的功率很少。从电机效率图可知，高效率区域的电机功率大约在35 kW～45 kW之间，所以通过调整减速比很难把电机的工作点调整到高效率区域。如果要提高效率，唯一的办法是降低电机功率，使高效率区域功率降低到20 kW左右。但是降低了电机功率，车辆的动力性会变差，必须增加变速器来保证动力性。

4 两挡变速器对能耗的影响

根据图9的功率统计，北京市郊县工况需要的功率基本在30 kW以内，本节把E150EV的电机最大功率降到35 kW，匹配两挡变速器，通过仿真分析电机工作区间以及能耗。

图10 E150EV匹配两挡变速器电机工作点

图10为E150EV匹配两挡变速器的仿真结果，1挡传动比为16，2挡传动比为8。1挡大减速比使电机的工作点移动到高效率区域，并且起步加速动力性好。2挡功率较大，充分利用了电机的高效率区域，最终能耗为7.65 kWh，合计百公里耗电13.18 kWh。比单减速比最小电耗节省3.4%电能。

5 结论

本文通过对E150EV电动车进行仿真，以研究其传动系统匹配对电机工作区域和能耗的影响。首先通过实验数据对仿真模型进行标定和验证，确保动力性和能耗计算准确。然后定量分析了单减速比传动系统和两挡变速器传动系统对车辆能耗的影响。发现通过减小电机功率，并匹配变速器，可以在一定程度上优化电机的工作区间，并减少能耗。

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The Influence of Transmission System on Energy Consumption for Pure Electric Car

LIU Dexing1,2, YE Lei1,2, ZHANG Tao1,2, PENG Chong1,2

( 1.China Merchants Testing Certification Vehicle Technology Research Institute Co., Ltd., National Bus Quality Supervision & Inspection Center, Chongqing 401122; 2.Key Laboratory of Chongqing Ministry of Industry and Information Technology for Electric Vehicle Safety Evaluation, Chongqing 401122 )

This paper will do research on the influence of transmission system on energy consumption for pure electric vehicle. Taking BAIC E150EV as research object.Firstly build the model in Matlab and do calibration and validation for the model based on test data. Then use a real driving cycle to simulate the vehicle with different transmission systems: one-gear transmission system and two-gear transmission system, and analyse the energy consumption.

Electric vehicle; Transmission system; Matching; Efficiency; Energy consumption; Simulation

U461.8；U469.72

A

1671-7988(2021)22-01-04

刘德兴（1991—），男，硕士，工程师，就职于招商局检测车辆技术研究院有限公司，国家客车质量监督检验中心，主要从事新能源汽车整车检测及研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.001

CLC NO.: U461.8; U469.72

A

1671-7988(2021)22-01-04