某车型动力系统的匹配与选择分析

章思超，叶亮波，王燕鹏

（1.湖南工业职业技术学院，湖南 长沙410000；2.湖南猎豹汽车股份有限公司，湖南 长沙410100；3.中国人民大学，北京100000）

随着全球各国对车辆的经济与排放要求的不断提高，新能源车辆在新车销售中的占比不断提高，其中纯电动车辆与传统燃油车相比较，具有系统架构与控制简单、节能减排、动力响应速度快、运行平顺、工作振动与噪音小、能实现能量回收等优点［1］，是较为符合当前技术水平与市场条件的车型。目前各大主机厂纯电动车型的动力系统已经趋于成熟，但是纯电动汽车的动力电池系统价格高昂，质量过重，容量相对不足，循环寿命衰减，热失控，充电不便，充电速度慢，低温性能差等问题也十分突出，同时也成为了当前制约新能源汽车发展的桎梏。

混合动力车辆作为由传统燃油车型到纯电动车的中间过渡车型，其动力系统包含了传统燃油车的发动机，也有纯电动车所有的电驱动系统与动力电池系统，使得混合动力车辆不仅具备传统燃油车的高续航、加油方便快捷的优点，还拥有纯电动车辆的能量回收、运行平顺、响应速度快的优点，同时拥有能够让发动机保持在高燃油效率工作点、不需要大容量动力电池的特点。这些优点和特点让混合动力车辆成为了当前车辆市场一个重要的选择和组成部分。

某整车生产企业为了适应新消费市场需求，需要对一老款SUV更新开发新一代车型，新车型的开发需要选择搭载合适的动力系统。本文以该车型为研究对象，在整车基本参数与传统燃油车型大致相同的情况下，首先通过计算的方式初步对新车型的动力系统参数进行匹配，再通过计算、仿真的方式，对该车型搭载纯电动、增程式混动、混联式混动动力系统时的动力性与经济性进行设计与分析，同时与传统燃油车型进行对比分析。其结果为该车型动力系统的选择提供了依据和支撑，也为相关新能源车型的开发提供参考和借鉴。

1 动力系统开发流程

从整车开发的角度看，车辆动力系统的传统匹配一般是根据车辆应用情况，结合零部件资源，着重零部件可靠性与成本进行选型，车辆动力性、经济性一般在样车试制完成后，基于实车进行验证［2］。如今随着相关工具与技术的发展，通过前期开发中的仿真设计，能够提前预防风险，避免后期整改难度加大。为了保障项目开发的品质与开发速度，目前各大厂商都将产品的仿真设计加入产品的早期开发过程中，并形成了相对固定、成熟、完善的动力系统开发流程，并与整车的开发紧密结合起来。本文所研究车型采用的动力系统开发流程如图1所示。

图1 动力系统开发流程图

2 整车基本参数及设计目标

本文所研究车型为一款燃油SUV车型，搭载一台额定功率160kW，最大扭矩330Nm的涡轮增压4缸发动机与一台8速自动变速器（换为2.0T）。其基本参数与新车型性能目标见表1。

表1 整车目标参数表

3 动力系统的参数匹配

根据汽车行驶受力分析可知汽车行驶所需要动力系统的最大功率一般选取最高车速行驶时所需的功率Pmax1，在某一低车速下以最大爬坡度爬坡时所需的功率Pmax2，以及在百公里加速过程中所需的功率Pmax3中的最大值，如公式（1）所示。其中Pmax1通过公式（2）进行计算、Pmax2通过公式（3）计算，Pmax3先通过公式（4）计算出恒功率区间的加速时间，再通过公式（5）计算出恒功率区间的需求功率。

式中Pmax——动力系统所需要的峰值功率；Pmax1——最高车速行驶时所需功率；Pmax2——最大爬坡度对应的需求功率；Pmax3——百公里加速时间对应的需求功率；umax——最高车速；α——最大爬坡角度；ui——爬坡时的车速；tcon，max——恒转矩区间加速时间；δ——旋转质量换算系数；u1——拐点车速；Fmax——最大驱动力；m——整车质量；g——重力加速度；f——滚阻系数；v——车速；r——滚动半径；CD——风阻系数；A——迎风面积；Pmax——整车需求峰值功率；η——系统效率。

汽车行驶所需动力系统提供的最大扭矩一般选取最大爬坡度以及加速需要功率中的最大值，如公式（6）所示。其中最大爬坡度对应需求扭矩通过公式（7）进行计算，加速需求最大扭矩通过公式（8）进行计算。

通过公式计算确定动力系统功率与扭矩需求下限，再结合现有产品技术指标，选择确定该车型动力系统需求峰值功率≥100kW、峰值扭矩≥3000Nm。

4 整车性能仿真分析及对比

4.1 车型仿真模型搭建

对纯电动与增程式车型在cruise软件中搭建仿真模型进行动力性与NEDC工况下的经济性仿真分析，对混联式动力系统由零部件供应商进行仿真分析提供结果数据。在cruise软件中，搭建好的纯电动与增程式车型仿真模型如图2所示。

图2 cruise仿真计算模型

4.2 动力系统控制策略

搭建好的整车仿真计算模型中，需要定义动力系统的控制策略。其中纯电动车型采用最大能量回收的控制策略进行控制，增程式车型的模型与控制策略与纯电动车型相似，只是额外增加一套增程器。增程器采用燃料消耗量最小的曲线功率跟随控制策略进行控制，燃料消耗量最小曲线通过将实测的电动机的转速、转矩对应的效率点与相应的发动机的转速、转矩对应的燃料消耗量相乘得到的系统燃料消耗量数据进行插值查表得出。所得到的燃料消耗量最小的曲线如图3所示。

图3 燃料消耗量最小曲线图

4.3 动力系统主减速比匹配

在模型与控制策略搭建好后，对比常用可选减速比范围内整车的NEDC工况下百公里能耗、最大爬坡度、加速性能、最高车速等指标差异，如图4所示。

图4 不同减速比下的整车性能指标图

根据上述设计指标参数随减速比的变动情况，结合具体减速器可选减速比的情况选定减速器减速比。本车型由于车重较大，在常用速比范围内其能耗随减速比提高而减小，在满足动力性要求的前提下选择较高的减速比，约为10.7。

4.4 整车性能仿真结果及对比分析

在动力系统参数确定后，通过cruise软件对该车型的传统燃油式、纯电动、增程式、混联式混合动力车型的动力性、经济性进行仿真计算，其计算结果见表2。

表2 新老电机参数对比表

根据仿真计算结果，可以看出本文所研究SUV车型的增程式车型与混合动力车型相比传统燃油车型的燃油经济性提高了25%以上。在动力性指标方面，纯电动与增程式车型相比燃油车型有小幅度下降，混合动力车型相比燃油车有比较大的提高。

从整车能源消耗费用方面来看，按照平均油价7元/L，平均充电电价1.2元/度进行计算，燃油车型每公里燃油消耗费用为0.58元，纯电动车型每公里行驶电费为0.21元，增程式在纯燃油工况下每公里燃油消耗费用为0.42元，混合动力车型在纯燃油工况下燃油消耗费用为0.38元。按一辆车整个生命周期行驶20万公里进行计算，燃油车的能源消耗费用为11.6万元，纯电动、增程式、混合动力车型的能源消耗费用依次是4.2万元、8.4万元、7.6万元，相比燃油车依次节省了7.4、3.2、4万元。

5 结语

本文以某整车企业某款SUV车型为研究对象，首先对该车型需要搭载的动力系统进行设计匹配与仿真计算，最后对比了搭载不同类型动力系统时的整车动力性与经济性，并对整车能源使用费用进行了分析。

本文结果表明同一车型在较好的动力系统与整车匹配的情况下，搭载混联式混合动力系统能够获得最佳的整车动力性与燃油经济性，增程式车型能够获得良好的节油效果，但其经济性略低于混联式混合动力车型，而纯电动车型在能源消耗费用上能够获得最好的效果。

本文设计计算过程能够保证产品匹配方案的合理性，能够有效降低开发风险，降低产品开发周期，其计算结果对同类车型的动力系统的匹配、类型选择也能起到指导、借鉴的作用。