一种ECVT纯电动乘用车性能仿真与设计

陆训，刘敏,戴鹏程， 陶娟

(奇瑞新能源汽车股份有限公司，安徽芜湖 241000)

0 引言

能源与环境危机的日益加重，电动汽车越来越多地被公认为是解决目前污染排放和能源合理利用的有效方案，纯电动汽车由于具有高效无污染等优点，成为各汽车制造商的研究重点。

近年来，国内外许多主机厂及学者利用理论分析和仿真等手段，对电动汽车进行性能仿真与分析。石飞飞等基于整车性能目标，分别开展驱动电机的性能匹配及仿真分析;夏靖武等基于两挡变速器的纯电动汽车为研究对象，重点分析匹配其关键动力系统参数，对研究车型动力性经济性进行仿真分析;钱庆辉对ECVT混合动力系统构型进行分析,利用等效杠杆原理分析行星轮系的基本方法,针对设计指标对10.5 m ECVT客车动力系统进行驱动电机、ISG电机、行星变速器、发动机和动力电池的参数匹配计算，多数采用单挡或两挡减速器，针对纯电动汽车搭载ECVT变速箱的性能仿真鲜有分析。

基于上述分析，文中主要以一款纯电动乘用车作为研究目标，对其搭载一种ECVT变速箱的动力性及经济性，以及如何确定ECVT速比进行理论分析与优化设计。

1 纯电动汽车系统结构及设计分析

1.1 纯电动汽车结构原理

传动汽车是由内燃机驱动，而纯电动汽车(electric vehicles,EV)是通过动力电池储能系统中的电能转化成机械能，进而驱动整车行驶。目前主流的纯电动车型大多数使用的都是单电机，文中主要针对单电机驱动整车模式的两驱车型进行分析与设计。

纯电动汽车的结构主要由电力驱动控制系统、汽车底盘、车身以及各种辅助装置等部分组成。其中,动力传动控制系统决定了整车纯电动汽车的结构组成及其性能特征，是电动汽车的核心。纯电动汽车系统架构及工作原理如图1所示。

图1 纯电动汽车系统架构及工作原理

1.2 ECVT结构及工作原理

ECVT的主要优点在于各种工作状态下都能保持最佳的传动比和圆滑过渡，能够同时兼顾整车的经济性和动力性。文中主要介绍的是一种电机加带轮系统及减速齿轮结构的ECVT变速器。其通过电动泵提供需要的压力油，通过钢带的无级调速保证电驱系统处于高效区域运行，同时通过更大的一挡速比提升整车动力性。ECVT结构如图2所示。

图2 ECVT结构

2 ECVT速比选取理论分析

借鉴《汽车理论》中液力变矩器等功率发动机特性曲线为理想的汽车发动机特性的原则。为了更好地实现动力传动系统效率最优的目的，采用综合考虑电机效率和ECVT效率的原则，利用多个MAP制作成综合传动效率MAP，如图3所示，并找出每条等功率线上的最佳效率点，形成全功率域最佳传动效率线MAP如图4所示。

图3 ECVT综合传动效率MAP

图4 全功率域最佳传动效率线MAP

依据最佳传动效率线，利用等功率的原则，插值求解出整个速比MAP，结果见表1。

表1 ECVT速比MAP

3 仿真模型的建立与分析

文中基于西门子高级仿真软件AMESim进行工程系统建模和性能仿真分析，用钢带及单减集成单元模拟ECVT减速器，其中整车性能仿真输入参数见表2。

表2 整车性能仿真输入参数

3.1 整车仿真控制逻辑架构

根据整车结构搭建一种ECVT纯电动汽车仿真模型，如图5所示，主要包括运行工况模块、驾驶员模块、整车模块、整车VCU控制器模块、电机模块、电池模块及附件系统模块等。在此模型中，驾驶员将按照工况所要求的速度发送驾驶指令。整车控制器在满足驾驶员需求的同时，综合考虑电机能力和电池的安全限值，将相应的转矩发送给电机，电机将按照控制器发送的要求力矩驱动车辆行驶。

图5 ECVT电动汽车仿真分析模型

3.2 ECVT速比仿真逻辑定义

目前市场上常见的纯电动汽车大多配备了单级减速器，这种配置对电机性能要求较高，很难保证电机在正常高效区域工作。减速器挡位数的增加有利于增加驱动电机在最大功率和高效区域的工作机会。主要采用整车速度和电机输出功率为输入，利用导入的ECVT速比MAP，采用自动插值求解逻辑计算模式,自动寻找所需速比及不同速比下所对应的效率，进而实现速比无级可调的目的。ECVT电动汽车求解逻辑示意如图6所示。

图6 ECVT电动汽车求解逻辑示意

3.3 整车性能仿真结果分析

ECVT纯电动汽车传动系统齿比能够调速到较小值，在高速阶段驱动轮的转速相对于搭载单级减速器纯电动汽车更高，所以当驱动力与行驶阻力相等，整车处于稳定状态时，搭载 ECVT的纯电动汽车最高车速具有较大优势，同时由于 ECVT 拥有速比连续可调的特点，能够使驱动电机长时间保持最佳工作区间，所以在0～100 km/h加速阶段也同样拥有较好的加速表现。依据整车纯电动汽车仿真模型，进行整车动力性及经济性仿真，整车性能仿真结果见表3。

表3 整车性能仿真结果

续驶里程仿真工况依据GB/T 18386.1—《2021电动汽车能量消耗量和续驶里程试验方法 第1部分：轻型汽车》规定的纯电动乘用车循环测试工况，工况平均车速为28.96 km/h，最高车速为114.0 km/h，怠速比例为22.1%，行驶里程为14.48 km。分为低、中、高速3个部分，低速部分674 s，中速部分693 s，高速部分433 s，总运行时间1 800 s。图7为不同工况下车速随时间变化曲线，图8为不同工况下整车加速度随时间变化曲线，两条变化曲线在数值上都有正有负，正值表示车辆处于加速过程，负值表示车辆处于减速行驶状态。可以看出车辆实际行驶状态能很好地追寻标准工况，表现出了良好的精度。

图7 不同工况下车速随时间变化曲线

图8 不同工况下整车加速度随时间变化曲线

图9为电机输入功率随时间变化曲线，图10为电机扭矩随时间变化曲线，两条变化曲线在数值上都有正有负，正值表示电机工作时对外驱动做功，负值表示制动时能量回收，一部分能量通过电机回到动力电池中。

图9 电机输入功率随时间变化曲线

图10 电机扭矩随时间变化曲线

图11为速比随时间变化曲线，由图可以看出，ECVT起到了无级变速的目的，随着车速及功率的变化，速比实时变化，调整电机的扭矩和运行速度，以达到优化传动系统效率的目的。图12为续航里程随时间变化曲线，计算显示该车续航里程约为375 km。

图11 速比随时间变化曲线

图12 续航里程随时间变化曲线

4 结论

文中主要针对一种ECVT纯电动汽车整车动力性及经济性仿真分析及速比的理论选型方法，建立了一套相对简单快速且较为完整的模拟分析方法。

(1)简单介绍了一种ECVT纯电动汽车的逻辑控制分析方法。

(2)提出了一种基于全功率域上的最佳传动效率线来优选ECVT速比的方法，简便快捷。

(3)对一种ECVT纯电动汽车进行了整车动力性及经济性仿真逻辑分析，为后续的试验研究提供了理论参考。