赵强 孙楠楠 王晓艳 贾德民 王聪 韩凯
摘要:基于某电动皮卡整车性能需求,计算匹配动力系统关键零部件的性能参数,利用Cruise M软件搭建仿真模型并进行模型验证,输入仿真工况对基础传动系统模型计算,得到该模型在中国轻型商用车测试循环(China light-duty vehicle test cycle-commercial,CLTC-C)工况的耗电量、0~100 km/h的加速时间和最大爬坡度;在兼顾经济性和动力性的前提下,研究传动比对整车性能的影响规律,提出2种驱动电机优化方案,在传动比为11.8时对比驱动电机优化前后车辆的性能。结果表明:基础方案下,CLTC-C工况的耗电量为3.286 kW·h,0~100 km/h的加速时间为13.33 s,最大爬坡度为33.5%,无法满足整车性能指标要求;随着传动比增加,整车动力性能改善,但经济性能降低;传动比为11.8时,与基础方案相比,方案一的电机峰值效率提高了1.15%,峰值转矩提高了60 N·m,峰值功率提高了20 kW,方案一车辆的动力性能得到提高且满足指标要求,经济性能得到提高但仍然无法满足指标要求;方案二的电机峰值效率提高了0.2%,峰值转矩提高了15 N·m,峰值功率提高了21 kW,方案二的动力性能和经济性能均得到提高且满足指标要求。
关键词:电动皮卡;动力性;经济性;传动比;驱动电机
中图分类号:U469.72文献标志码:A文章编号:1673-6397(2024)02-0019-09
引用格式:赵强,孙楠楠,王晓艳,等.某电动皮卡动力系统匹配与性能优化[J].内燃机与动力装置,2024,41(2):19-27.
ZHAO Qiang,SUN Nannan,WANG Xiaoyan,et al.Matching of power system and optimization of performance on an electric pickup[J].Internal Combustion Engine & Powerplant, 2024,41(2):19-27.
0 引言
随着经济迅速发展,我国对资源的需求不断增加,据统计,我国已成为全球最大的石油进口国,石油资源对外依赖度超过70%;另外,燃油汽车给环境带来的压力越来越大,发展新能源汽车是实现汽车工业可持续发展的必由之路[1]。据统计,2022年全国新能源汽车销量为527.5万辆,同比增长80.1%,呈高速发展状态[2],其中皮卡市场正在逐渐升温,全年销量达51万辆。整车动力传动系统的参数匹配结果决定整车性能[3-4],在纯电动汽车性能参数匹配与优化方面的研究较多:刘璐明[5]以某款纯电动城市客车为研究对象,对驱动电机和动力电池组参数进行匹配设计;缪明雅[6]按照某纯电动汽车整车设计性能要求,对驱动电机、驱动方案、传动比等主要部件进行参数匹配,并通过AVL Cruise软件进行整车建模、仿真,对不同方案仿真结果进行了分析,确定最优方案。
本文中基于某电动皮卡的整车性能指标,研究电动车动力学分析方法,对纯电皮卡整车动力系统关键部件进行参数匹配,明确整车动力性和经济性评价指标,利用Cruise M软件建立整车仿真模型,综合考虑中国轻型商用车测试循环(China light-duty vehicle test cycle-commercial,CLTC-C)工况耗电量、续驶里程、加速性能、爬坡性能等技术指标,分析所设计动力系统的经济性能和动力性能,之后探索研究传动比对整车性能的影响规律,对比分析不同驱动电机方案在整车性能中的表现,为后续整车性能优化提供参考。
1 整车性能要求
某皮卡车型整车参数如表1所示。结合皮卡车型实际使用场景和消费者的需求,对整车动力系统核心零部件进行合理设计,确定整车性能指標如表2所示。
2 动力参数匹配
基于整车参数和性能设计指标,运用电动汽车动力性分析方法进行动力系统关键参数匹配计算,确定电机功率、转速、转矩、传动比和电池容量。
2.1 电机功率
电机功率增大,汽车加速性能和爬坡性能提升,但电机功率过大,成本相应增加,因此需通过计算确定电机功率。电机功率应按照整车最高车速、爬坡能力和加速性能确定。
根据最高车速确定电机峰值功率P1,计算式为:
式中:{P1}为以kW为单位的电机峰值功率P1的数值;{m}为以kg为单位的整车质量m的数值;{g}为以m/s2为单位的重力加速度g的数值,取为9.8 m/s2;{umax}为以km/h为单位的最大车速umax的数值;{A}为以m2为单位的迎风面积A的数值。
根据爬坡能力确定峰值功率P2,计算式为:
式中:{P2}为以kW为单位的P2的数值;{ua}为以km/h为单位的爬坡度为30%时爬坡车速ua的数值;α为最大爬坡度对应的坡度角,°。
根据加速性能确定峰值功率P3,计算式为:
式中:{um}为以km/h为单位的车速由0加速至100 km/h的最终车速um的数值,um取100 km/h;{tm}为以s为单位的0~100 km/h加速时间tm的数值。
由式(1)(2)(3)可得:P1=84.04 kW,P2=116.44 kW,P3=148.76 kW。
峰值功率Pmax=max(P1,P2,P3),则Pmax=148.76 kW。考虑附件损耗,可取Pmax为170 kW。电机的额定功率Pe应满足最高车速的90%匀速巡航行驶的功率要求,即Pe=90%P1=75.636 kW,选定Pe为80 kW。此时电机过载系数λ(电机峰值功率与额定功率的比,表征电机过载工作能力,一般取为2~3)为2.125,故满足要求。
2.2 电机转速
汽车用驱动电机一般是高速电机,综合考虑功率密度、运行效率、电机质量、可靠性等因素,选取最高转速nmax为12 000 r/min。通常电机的扩大恒功率区因数β的取值为2~4,β过大导致成本增加[7],选取额定转速ne为4 900 r/min。
2.3 电机转矩
电机峰值转矩Tmax的计算式为:
{Tmax}=9 550{Pmax}/{ne} ,(4)
式中,{Tmax}为以N·m为单位的电机峰值转矩Tmax的数值,{ne} 为以r/min为单位的发动机最高转速ne的数值,{Pmax}为以kW为单位的Pmax的数值。
由式(4)可得,Tmax=331.33 N·m。
电机额定转矩Te计算式为:
{Te}=9 550{Pe}/{ne} ,(5)
式中:{Te}为以N·m为单位的电机额定转矩Te的数值,{Pe}为以kW为单位的电机额定功率Pe的数值。
由式(5)可得,Te=155.92 N·m。
2.4 传动比
由电机最高转速和最高行驶车速确定最小传动比imin,计算式为:
imin=0.377{nmax}{r}/{umax}。(6)
式中:{nmax}为以r/min为单位的電机最高转速nmax的数值,{r}为以m为单位的车轮半径r的数值。
由式(6)可得,imin=11.00。
由最大爬坡度和最大转矩确定最大传动比
imax={r}({m}{g}fcos α+{m}{g}sin α)/({Tmax}ηt) 。(7)
由式(7)可得,imax=12.69。
2.5 电池容量
根据续驶里程确定电池容量,车辆等速行驶所需功率Pev的计算式为:
{Pev}={uev}({m}{g}f+CD{A}{u2ev}/21.15)/(3 600ηt),(8)
式中:{Pev}为以kW为单位的车辆等速行驶所需功率Pev的数值;{uev}为以km/h为单位的uev的数值,uev=60 km/h。
电力总量
Wev=PevS/(ηmuev),(9)
式中:ηm为机械传动效率,取为0.9。
电池容量
Cev=Wev/Uev,(10)
式中:Uev为电池组平均工作电压,V。
由式(8)可得,uev=60 km/h等速行驶时,Pev=9.76 kW。根据要求,uev=60 km/h时,等速续驶里程S应大于350 km,Uev=380 V,由式(10)可得,Cev=166.47 A·h,考虑附件损耗,可取Cev为180 A·h。
3 基础模型的建立与验证
3.1 模型建立
利用Cruise M软件中模块构建整车模型,根据当前实车配置设置各模块参数,以此作为基础模型,输入仿真工况,基础模型中动力电池为磷酸铁锂电池,初始电池荷电状态(state of charge,SOC)为95%;选用永磁同步电机,峰值转矩为340 N·m,峰值功率为151 kW,单挡减速器总传动比为 11.80,建立的模型如图1所示。对整车性能进行仿真计算,评价车辆的经济性能和动力性能。
3.2 模型验证
以CLTC-C循环工况为模型验证工况[8],整个工况计算过程中车速仿真结果与CLTC-C循环设定车速随时间的变化曲线基本重合,车速跟随性好,实际车速与需求车速的偏差如图2所示。由图2可知:整个循环工况的最大速度偏差为0.67 km/h,精度(最大速度偏差与最高车速的比)为0.73%,因此该模型满足计算精度要求。
3.3 评价指标
电动汽车的主要性能通常从经济性和动力性两方面评价,在保证电动汽车动力性前提下尽可能提高经济性。电动汽车经济性的评价指标中,文献[9]中规定测试工况主要包括标准循环工况(本文中为CLTC-C循环工况)和uev=60 km/h等速巡航工况,根据文献[10]给出的电动汽车动力性评价指标,国标中用汽车的最高车速、加速性能、最大爬坡度3个指标评价整车的动力性能。
3.4 基础模型计算
基于建立的整车动力系统基础模型进行CLTC-C循环工况计算,该模型单循环工况累计耗电量曲线如图3所示,该循环工况下的电机运行工况在效率map上的落点统计如表3所示。
由图3及表3可知:单循环工况整车耗电量为3.286 kW·h,电机效率在90%以上的工况落点占比为60.67%,电机效率在80%以上的工况落点占比为64.73%。电机整体运行效率较低导致整车经济性较低,无法达到设计指标。
基于建立的整车动力系统基础模型,进行全加速仿真计算,受电机驱动系统峰值转矩、峰值功率的最大持续时间限制,动力性计算结果选取由静止开始至30 s内的数据[11],结果如图4所示。
由图4a)可知:在全加速过程中,整车加速先快后慢,50 km/h的加速时间为4.81 s,100 km/h的加速时间为13.33 s。由图4b)可知:爬坡度为20.0%时,车辆先匀加速,之后加速度逐渐减小,前10 s的平均加速度为1.11 m/s2,第30秒时车速为71.08 km/h;爬坡度为25.0%时,车辆先匀加速,之后加速度逐渐减小,前10 s的平均加速度为0.69 m/s2,第30秒时车速为60.92 km/h;爬坡度为30.0%时,车辆接近匀加速,平均加速度为0.287 m/s2,第30秒时车速为29.93km/h;整车最大爬坡度为33.5%。根据仿真结果,该基础模型无法达到动力性设计指标。
4 方案对比与分析
4.1 传动比计算
基于整车参数和设计指标要求,结合电动汽车动力性分析方法计算得到的传动比为11.00~12.96,本文中选取传动比分别为11.00、11.40、11.80、12.20、12.69进行整车经济性和动力性分析研究,传动比对整车经济性的影响规律如图5所示。
由图5a)可知:传动比由11.00增加到12.69,CLTC-C工况耗电量由3.274 kW·h增加到3.303 kW·h,这是由于改变传动比使得电机运行工况发生改变;电机循环平均效率(本文中电机循环平均效率指CLTC-C工况中整车非静止状态下的电机运行效率的平均值)由84.59%降为83.86%。由图5b)可知:传动比由11.00增加到12.69,uev=60 km/h等速续驶里程由366.95 km降为360.95 km,这同样与该车速对应电机运行工况下的电机效率有关,该工况下电机效率由93.36%降为91.74%。根据仿真结果,通过传动比优化设计无法满足经济性能指标要求。
传动比对整车动力性的影响规律如图6所示。
由图6a)、b)可知:传动比由11.00增加到12.69,0~50 km/h的加速时间由5.13 s减少到4.51 s,0~100 km/h的加速时间由13.42 s减少到13.32 s,在第14.8秒时不同传动比方案对应的车速相等,为105 km/h;传动比越大,车辆前期加速性能优势明显,后期加速性能优势减弱。分析原因为:在电机恒转矩区,随着电机转速增加,功率增加;在电机恒功率区,随着电机转速增加,功率不变或略有下降;传动比增加,达到相同车速的过程中电机会更早地由恒转矩区进入恒功率区。
由图6c)、d)可知:传动比由11.00增加到12.69,当爬坡度为30%时,第30秒时的爬坡车速由8.6 km/h增加到50.79 km/h;最大爬坡度由31.0%增加到36.5%。综合以上分析,通过传动比优化设计可满足动力性能指标的要求。
4.2 不同电机对比
根据整车参数和整车性能指标要求计算得到传动比为11.00~12.69,为同时兼顾整车动力性和经济性需求,选用传动比为11.80进行不同电机方案对比计算。优化前后的电机关键参数对比如表4所示,不同电机方案外特性对比如图7所示。
由表4和图7可知:相比基础方案,方案一、方案二的电机峰值效率提高,峰值转矩、峰值功率增加;方案二的峰值转矩低于方案一,但方案二的恒转矩区对应的转速范围较宽,峰值功率与方案一相近。
不同电机方案经济性对比结果如表5所示。
由表5可知:1)相比基础方案,方案一的CLTC-C工況耗电量减少了2.42%,为3.21 kW·h;循环电机平均效率为86.97%,比基础方案增加了2.71百分点;uev=60 km/h等速续驶里程增加了1.38%,约为368.96 km;该工况电机运行效率为93.96%,增加了1.36百分点,经济性能提升但循环耗电量无法满足性能要求。2)相比基础方案,方案二的CLTC-C循环耗电量增加了2.99%,为3.19 kW·h;循环电机平均效率增加了4.54百分点,为88.80%;uev=60 km/h等速续驶里程增加了2.47%,约为372.95 km,该工况电机运行效率增加了2.36百分点,为94.96%,经济性能提高且能满足性能要求。
不同电机方案下车辆的动力性对比如图8和表6所示。由图8和表6可知:1)相比基础方案,方案一和方案二的加速性能均提高,方案一0~50 km/h加速时间为4.08 s,减少了15.18%;0~100 km/h的加速时间为10.87 s,减少了18.45%。2)方案二的0~50 km/h加速时间为4.59 s,减少了4.57%;0~100 km/h加速时间为11.3 s,减少了15.23%。3)方案一的最大爬坡度为40.9%,相比基础方案提高了7.3百分点;方案二的最大爬坡度为35.3%,相比基础方案提高了1.7百分点;方案一、方案二均满足动力性能要求。
5 结论
1)针对某纯电皮卡整车性能要求,计算了动力传动系统关键零部件的性能参数,利用Cruise M软件搭建仿真模型并进行模型验证。
2)通过计算基础传动系统模型,得到该模型CLTC-C循环耗电量为3.286 kW·h,100 km/h加速时间为13.33 s,最大爬坡度为33.5%,无法满足整车性能指标要求。
3)随着传动比增加,动力性能改善,但经济性能降低;为了兼顾经济性能和动力性能,选用传动比为11.8进行不同驱动电机方案对比,与基础方案相比,方案一的动力性能得到提高且满足指标要求,经济性能得到提高但无法满足指标要求,方案二的动力性能和经济性能均得到提高且满足指标要求。
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Matching of power system and optimization of performance
on an electric pickup
ZHAO Qiang1,2, SUN Nannan1,2, WANG Xiaoyan1,2, JIA Demin1,2,
WANG Cong1,2, HAN Kai1,2
1. National Key Laboratory of Internal Combustion Engines and Power System,Weifang 261061,China;
2.Weichai Power Co.,Ltd.,Weifang 261061,China
Abstract:Based on the performance requirements of a certain electric pickup, the performance parameters of key components of the matching powertrain is calculated, simulation models are built by Cruise M software and validated.By inputting the simulation conditions to calculate the basic transmission system model, the power consumption, 0-100 km/h acceleration time, and maximum climbing slope of the model in the China light vehicle test cycle (CLTC-C) condition are obtained.For balancing economy and power,the influence of the transmission on the performance of the complete vehicle is evaluated, and two schemes for optimizing the drive motors are promoted, and the performance of the vehicle before and after optimizing the drive motor at a transmission ratio of 11.8 is compared.The results show that the base scenario uses 3.286 kW·h of power, with acceleration times of 13.33 s from 0 to 100 km/h and a maximum gradient of 33.5%, which does not reach the overall vehicle performance. As the ratio increases,overall vehicle power performance is improved, but economic performance is reduced. With a transmission ratio of 11.8, for scheme 1,the motor peak efficiency is 1.15% higher and the peak torque is 60 N·m higher than the underlying scenario,the peak power increases 20 kW, the power performance of the option one improves and meets the economic requirement but still does not meet the others. For scheme 2, the motor peak efficiency improves by 0.20%, peak torque increases 15 N·m, and peak power increases 21 kW which has improved power and economic performance and meets the specifications.
Keywords:electric pickup truck;power performance;economy performance;transmission ratio;drive motor
(責任编辑:刘丽君)