纯电重型商用车四电机系统动力性及经济性研究

黄文凯，程辉军，储爱华

（1.浙江远程商用车研发有限公司，杭州 310020；2.吉利汽车集团有限公司上海分公司，上海 201616）

前言

随着国家工信部对《重型商用车辆燃料消耗量限值》第四阶段油耗限值提上日程，商用车企业将面临严重的油耗压力。同时，随着国家排放标准的不断升级，各地国六排放标准陆续实施，企业同时面临严苛的排放压力。此外，随着俄乌战争的持续发酵，国际油价持续飙升。在此背景下，纯电动商用车越来越受到企业的重视。当前，国内主流商用车企业都已陆续推出纯电动产品。

在纯电重型商用车领域，当前比较流行的纯电动重型商用车动力总成方案采用单电机方案，单电机方案中一般都是采用低速大转矩电机。低速大转矩电机的特点是转速范围较窄，可以提供较大转矩。

本文通过对比单电机-6AMT 变速器系统在相同车辆上应用的动力性和经济性仿真以及试验结果，验证四电机-4AMT 系统在动力性和经济性上的优势。集中式中心驱动四电机-4AMT 变速器系统采用了乘用车上普及的高速小转矩电机，带动4 个小齿轮通过外啮合同一个大齿轮，再经过4AMT 变速增转矩，从而驱动车轮。集中式中心驱动四电机-4AMT 变速器系的外特性远超单电机-6AMT 变速器系统。同时部分负荷下，四电机系统还可以灵活分配四电机转矩，结合少部分换挡，从而增加调节工况，进而在提高效率的基础上又减少换挡工况，降低了换挡冲击发生的可能性。同时，也降低变速器结构的复杂性并减小变速器尺寸。

1 整车动力性及经济性评价指标

1.1 纯电动商用车的动力性指标

纯电动商用车的动力性指标主要包括纯电动商用车的最高车速、加速性能、爬坡性能等。根据GB/T 18385—2021《电动汽车动力性能试验方法》［1］，纯电动商用车的动力性主要由以下3个指标来评定：

（1）纯电动商用车的最高车速

纯电动商用车的最高车速由以下两个指标来定义：①30 min 最高车速，指纯电动商用车能够持续行驶30 min 以上的最高平均车速；②1 km 最高车速，指纯电动商用车能够往返各持续行驶1 km 以上距离的最高车速的平均值。

（2）纯电动商用车的加速能力

纯电动商用车的加速能力是指纯电动商用车从速度v1加速到v2所需的最短时间。

（3）纯电动商用车的爬坡能力

纯电动商用车的爬坡能力包含以下两个指标：①爬坡车速，纯电动商用车在给定坡度（通常为4%或12%）的坡道上能够持续行驶1 km 以上的最高平均车速；②坡道起步能力，纯电动商用车在坡道上能够起动且1 min 以内向上行驶至少10 m 的最大坡度。

1.2 纯电动商用车的经济性指标

根据GB/T 18386—2017 《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》［2］，纯电动商用车的动力性及经济性指标如表1 所示。通常纯电动商用车经济性指标按在一定工况（循环工况或等速工况）下能耗来定义。

表1 纯电动商用车整车动力性及经济性指标

2 整车动力性及经济性仿真建模

2.1 整车动力学模型

根据文献［3］，汽车行驶时必须克服滚动阻力、空气阻力、在一定坡度上由重力产生的坡度阻力以及行驶中的加速阻力，整车动力学模型如图1所示。

图1 整车动力学受力模型

总阻力为

式中：Ff为滚动阻力，N；Fi为坡道阻力，N；Fw为空气阻力，N；Fj为加速阻力，N。

由此可以得到纯电动汽车的行驶方程式为

式中：Te为电机转矩，N·m；i0为主减速器速比；ign为变速器当前挡位速比；ηT为传动系统机械效率；r为车轮滚动半径，m；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积，m2；v为行驶车速，km/h；δ为旋转质量系数；m为汽车质量，kg。

因为本文中不涉及飞轮，所以旋转质量系数可以表示为

式中Iw为飞轮转动惯量［4］。

本文目标车辆的参数如表2所示。

表2 整车参数与技术要求

根据车辆动力性及经济性要求，建立整车仿真模型，如图2所示。

图2 整车仿真模型

2.2 动力电池模型

纯电动汽车中动力电池是最重要的零部件之一，尤其在纯电动重型商用车领域，电池作为唯一的动力来源，就更为重要。其主要作用在于，为电机提供能量驱动车轮，滑行或制动时，配合底盘进行能量回收。在不考虑电池寿命以及温度变化的影响下，通过试验可得电池的电动势和内阻模型［4］：

式中：ESOC为当前状态下的电动势；E0为电池电动常数拟合系数；SOC为电池的荷电状态。

式中：RSOC为当前状态下的内阻；δ0为内阻随电流变化的补偿系数；R0为电池的内阻常数；λi为拟合系数；I为电池电流；Qbat为电池容量；Pbat为电池功率。

根据以上电池理论公式进行电池模型的搭建。本文为更直观分析两种动力传动方案的动力性与经济性，均匹配同一款动力电池进行仿真与试验。

2.3 驱动电机模型

电机是纯电动重型商用车的主要动力源，驱动时输出正转矩以驱动车辆，制动时产生负转矩以给动力电池充电。目前新能源汽车领域应用最广泛的电机类型是永磁同步电机，其优点是结构简单，功率因数高且响应速度快。电动机功率可以表示［5-7］为

在纯电动重型商用车领域，较流行的是低速大转矩电机，但由于转矩需求较大，而电机转矩又与电机质量、尺寸、成本等直接相关。因此，纯电动重型商用车的电机成本较高，且尺寸较大，不利于布置。电机参数见表3。

表3 电机参数对比

本文讨论的两种方案中电机均采用永磁同步电机。所不同的是，单电机-6AMT 变速器方案采用低速大转矩电机。特点是转速范围较低，可以提供较大转矩，但缺点也是很明显，电机尺寸大、成本高、质量偏重，高效区域偏小。集中式中心驱动四电机-4AMT 变速器方案采用高速小电机，优点是转速高、尺寸小，且乘用车领域广泛应用，具有成本优势。但单个电机转矩不能满足重型商用车需求，需要4个电机配合一组外啮合齿轮来满足。

单电机-6AMT 变速器系统电机效率曲线如图3所示，集中式中心驱动四电机-4AMT 变速器系统电机效率曲线如图4所示。

图3 单电机-6AMT变速器系统电机效率曲线

图4 集中式中心驱动四电机-4AMT变速器系统电机效率曲线

2.4 传动系统模型

单电机-6AMT 变速器系统和集中式中心驱动四电机-4AMT 变速器系统结构布置如图5 和图6 所示。图5 中EM 表示单电机，为大转矩低速电机；电机给输入轴传输动力，再经过一个6 个挡位的AMT变速器系统，从而驱动车轮。该系统类似传统发动机与AMT 变速器的组合，只是将发动机替换成了大电机EM。图6 中共有4 个电机，即EM1、EM2、EM3、EM4，为乘用车领域普及的高速小型化电机，4 个小电机分别通过4 个齿轮与同一个大齿轮外啮合，给输入轴传输动力，再经过一个4 个挡位的AMT 变速器系统，从而驱动车轮。该系统的特色在于采用广泛应用的高速小电机，降低了电机采购成本；同时灵活分配四电机转矩或电机的工作数量，结合少量挡位，就可实现多种工作模式的切换，从而减小变速器尺寸，节省整车总布置空间。

图5 单电机-6AMT变速器系统简图

图6 集中式中心驱动四电机-4AMT变速器系统简图

根据外啮合齿轮的传动规律，建立四电机外啮合齿轮的动力学方程：

式中：Tpi为小齿轮转矩，N·m；Ts为大齿轮转矩，N·m；Tei为电机转矩；rs为大齿轮半径；rpi为小齿轮半径；ωpi为小齿轮角速度；ωs为大齿轮角速度；Jpi为小齿轮转动惯量；Js为大齿轮转动惯量。传动系统速比对比见表4。

表4 传动系统速比对比

2.5 换挡策略

单电机-6AMT 变速器系统的换挡策略与传统换挡策略基本一致，传统换挡策略的制定主要在已知整车参数的条件下，根据车辆动力学理论，考虑汽车动力性、经济性以及驾驶性等建立换挡模型。

传统换挡策略不能同时兼顾整车的动力性与经济性，单电机-6AMT 变速器系统的换挡策略与传统换挡策略类似。在保证纯电动重型商用车动力性的基础上，尽可能降低能耗，为解决该问题须制定兼顾动力性与经济性的综合换挡策略。图7 为单电机-6AMT变速器系统换挡曲线［8-11］。

图7 传统综合换挡曲线

由此可知，在中低车速下，转矩需求变化较为频繁，最优挡位受转矩需求决定，传统的换挡策略易导致换挡频繁。

而集中式中心驱动四电机-4AMT 变速器系统，灵活选取电机工作数量，同时结合4AMT 挡位，实现工作模式的转换。考虑到整车目标转矩的需求，以及尽量少换挡的优势，工作电机数量转换如图8 所示，其中横轴为输出轴转速，纵轴为工作电机总转矩，工作电机数量各区域转速临界点为转换点。因此，工作电机数量转换可以在图中清楚看出。除单电机工作区域能力不能达到整车的最大转矩需求外，其余工作电机数量区域均可达到整车最大转矩需求。在单电机工作状态下，输出轴转速增加到切换双电机的临界转速时，系统就会切换到双电机工作状态。在切换过程中，两个电机转矩采用梯度控制，此消彼长，最终达到两个电机转矩一致。以此类推，双电机切换三电机，三电机切换四电机也是这样的控制方式。反之，在四电机工作状态下，输出轴转速下降到切换三电机临界转速时，系统就会切换到三电机工作状态，在切换过程中，3 个电机转矩同样采用梯度控制，此消彼长，最终达到3 个电机转矩一致。以此类推，三电机切换双电机，双电机切换单电机也是这样的控制方式。

图8 集中式中心驱动四电机-4AMT变速器系统工作电机数量

新型换挡曲线如图9 所示。其中横轴表示输出轴转速，纵轴表示输出轴转矩需求。由于2 挡已大大满足整车最大转矩需求，为减少换挡，暂不使用1挡。因此，目前只有2-3、3-2、3-4、4-3 这4 个换挡工况，从而大大减少挡位切换可能带来的冲击。

图9 集中式中心驱动四电机-4AMT变速器系统新型换挡曲线

把以上电机工作数量和换挡曲线结合起来，就可得到12 种不同的工作区间，相比于单电机-6AMT变速器系统翻了一倍，且区域之间更为线性。

3 动力性仿真结果

表5 为动力性仿真结果。从表5 可以看出，0-80 km/h 起步加速时间（满载）、60-80 km/h 超越加速时间（满载）、满载持续最高车速、4%爬坡车速、12%爬坡车速和最大爬坡度（满载）均有不同幅度的提升，提升度如图10 所示。其中除满载持续最高车速和最大爬坡度（满载）提升不足10%外，其余动力性指标均提升接近20%。由此可以看出，在动力性方面，集中式中心驱动四电机-4AMT 变速器系统优势明显。

图10 动力性仿真结果提升度

表5 动力性仿真结果

4 经济性仿真结果

重型纯电动商用车经济性工况如图11 所示，按照C-WTVC 循环曲线中的公路和高速工况来进行仿真计算［12-13］。

图11 C-WTVC循环工况

对于单电机-6AMT 变速器系统，只能通过传统的变速器换挡点实现电机保持在高效区域，从而实现系统处于高效区工作。

但对于集中式中心驱动四电机-4AMT 变速器系统，不仅可通过变速器换挡来实现系统处于高效区工作，还可通过电机工作数量的灵活切换来保持系统处于高效区工作。两者相结合，实现工作模式的变换及系统高效区域的扩展。

表6为经济性仿真结果。从表6可以看出，满载百公里能耗基本相当，半载和空载百公里能耗相较于满载降低效果明显，如图12 所示，提升度分别达到8.4%和17.2%。

表6 经济性仿真结果

图12 四电机-4AMT变速器系统提升度

从以上动力性及经济性仿真结果可以看出，除满载百公里能耗指标基本相当外，其余整车动力性及经济性指标均得到提升。

5 试验结果

在试车场对车辆进行配载，分别进行满载起步加速、超车加速及爬坡等试验。按照C-WTVC 工况，分别进行空载、半载和满载能耗试验，得到的试验结果如表7所示。

表7 动力性及经济性试验结果对比

动力性方面：0-80 km/h 起步加速时间（满载）、60-80 km/h 超越加速时间（满载）、满载持续最高车速、4%爬坡车速、12%爬坡车速和最大爬坡度（满载）均有不同程度的提升。其中除满载持续最高车速和最大爬坡度（满载）提升不足10%外，其余动力性指标均提升接近20%。由此可以看出，在动力性方面，集中式中心驱动四电机-4AMT 变速器系统优势明显。且试验与仿真结果保持高度一致，再次验证了集中式中心驱动四电机-4AMT 变速器系统相较于单电机-6AMT 变速器系统在动力性方面的优势明显。

满载百公里能耗基本相当，半载和空载百公里能耗降低效果明显，分别达到9.7%和18.2%。且试验与仿真结果保持高度一致，再次验证了集中式中心驱动四电机-4AMT变速器系统相较于单电机-6AMT变速器系统在经济性方面的优势明显。

6 结论

集中式中心驱动四电机-4AMT 变速器系统相比于单电机-6AMT 变速器系统，除满载百公里能耗指标基本相当，以及满载持续最高车速和最大爬坡度（满载）提升不足10%外，其余动力性指标均提升超过10%，有的甚至接近20%。

因此，集中式中心驱动四电机-4AMT 变速器系统应用于纯电动重型商用车，不仅可提升动力性及经济性，还可以减小动力总成大小和质量，节省整车布置空间。另外，采用乘用车领域广泛应用的小型高速化电机，可利用其规模化、成本低的优势，降低整车成本。