員汝娜Yun Runa

采用單級(jí)減速器和兩擋變速器的純電動(dòng)汽車性能對(duì)比研究

員汝娜
Yun Runa

（河南速達(dá)電動(dòng)汽車科技有限公司，河南 三門峽 472000）

針對(duì)純電動(dòng)汽車在動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定不變的前提下，變速器作為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對(duì)整車性能起著至關(guān)重要的作用。為了增強(qiáng)車輛的動(dòng)力性能及延長(zhǎng)續(xù)駛里程，將搭載單級(jí)減速器的電動(dòng)汽車改為兩擋變速器方案，并對(duì)傳動(dòng)比參數(shù)進(jìn)行匹配計(jì)算?；贑ruise軟件搭建整車模型，對(duì)整車性能進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果表明：改進(jìn)后車輛的動(dòng)力性能和續(xù)駛里程提升效果明顯，其中最高車速由133 km/h提高至160 km/h，最大爬坡度由33.2%提高至35.6%，NEDC（European Driving Cycle，新歐洲駕駛循環(huán)）工況、WLTC（wide-duty Test Cycle，輕型汽車駕駛）工況和等速60 km/h工況的續(xù)駛里程分別提升22.453%、41.096%、3.222%。

純電動(dòng)汽車；單級(jí)減速器；兩擋變速器；動(dòng)力性能；續(xù)駛里程

0 引 言

目前，全球主流純電動(dòng)汽車均采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配單級(jí)減速器的方案[1]。雖然單級(jí)減速器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)，但是匹配固定的減速比使得整車最高速度受到限制，且不利于提升電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)的效率，在行駛過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)多數(shù)情況下無(wú)法處于高效率工作點(diǎn)[2]。兩擋減速器作為純電動(dòng)汽車未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于相同的整車性能要求，可有效減小電機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)設(shè)計(jì)難度，優(yōu)化電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，使電機(jī)盡量工作在高效率的轉(zhuǎn)速區(qū)間，從而達(dá)到降低損耗、提高續(xù)駛里程的效果[3]。為了提升車輛的動(dòng)力性能和續(xù)駛里程，基于某款純電動(dòng)汽車，將原有的單級(jí)減速器替換為兩擋變速器，并對(duì)兩擋傳動(dòng)比參數(shù)進(jìn)行了匹配計(jì)算，同時(shí)基于Cruise模型仿真計(jì)算，對(duì)搭載電機(jī)減速器和兩擋變速器車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析。

1 典型工況下電機(jī)工作點(diǎn)分析

1.1 整車相關(guān)參數(shù)

所研究的純電動(dòng)汽車是在動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定不變的前提下，將原有的單級(jí)減速器替換為兩擋變速器。

整車基本參數(shù)及性能要求見(jiàn)表1，原有的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 整車基本參數(shù)和性能要求

續(xù)表1

表2 整車原有的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)

1.2 典型循環(huán)工況分析

針對(duì)純電動(dòng)汽車，目前國(guó)內(nèi)大多采用NEDC（New European Driving Cycle，新歐洲駕駛循環(huán)）工況衡量車輛的續(xù)駛里程，國(guó)外大多采用WLTC（Worldwide Light-duty Test Cycle，全球輕型汽車駕駛循環(huán)）工況衡量車輛的續(xù)駛里程。因此選擇NEDC工況及WLTC工況作為典型循環(huán)工況進(jìn)行分析，結(jié)合整車參數(shù)與傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)可以得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)在兩種工況下的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，各工作點(diǎn)如圖1所示。

通過(guò)圖1可知，車輛搭載驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配單級(jí)減速器時(shí)，在NEDC工況及WLTC工況下絕大部分電機(jī)工作點(diǎn)效率偏低，電機(jī)的高效區(qū)沒(méi)有得到充分利用，不利于提升整車的續(xù)駛里程。如果換用兩擋變速器，不僅可以獲得更高的極限車速、更少的加速時(shí)間和更大的最大爬坡度，而且通過(guò)高、低速擋之間的切換，可以使電機(jī)盡量工作在高效率區(qū)間，延長(zhǎng)車輛續(xù)駛里程，實(shí)現(xiàn)整車動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能的同步提升。

2 兩擋變速器速比匹配

汽車傳動(dòng)系統(tǒng)速比的選擇需要兼顧整車經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的要求，針對(duì)兩擋變速器方案，一擋速比需要滿足最大爬坡度的要求，二擋速比需要滿足最高車速的要求，同時(shí)合理設(shè)計(jì)速比使行駛過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作點(diǎn)的高頻區(qū)與高效區(qū)重合達(dá)到延長(zhǎng)續(xù)駛里程的目的[4]。

根據(jù)最大爬坡度，由式（1）確定一擋速比的下限。

式中：1為變速器的一擋速比；為滿載質(zhì)量；為重力加速度；為滾動(dòng)阻力系數(shù)；為最大爬坡度對(duì)應(yīng)的坡度角；D為風(fēng)阻系數(shù)；為迎風(fēng)面積；v為爬坡車速；為輪胎滾動(dòng)半徑；為傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率；max為驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩。

為了防止驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)，要求作用在驅(qū)動(dòng)輪上的地面切向反作用力小于地面附著力，由式（2）確定一擋速比上限。

式中：為路面附著系數(shù)，一般干燥路面取0.75[5]24；F為地面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的法向反作用力。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩和最高車速對(duì)應(yīng)的行駛阻力，由式（3）確定二擋速比下限。

式中：2為變速器的二擋速比；max為最高車速；emax為驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定工況下峰值轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速和最高車速，由式（4）確定二擋速比上限。

式中：max為驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速。

為了防止兩擋速比分配不當(dāng)造成換擋時(shí)驅(qū)動(dòng)力中斷，一般要求一擋下電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力應(yīng)小于等于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力，如式（5）所示。

式中：e為驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

通過(guò)式（1）～式（5）計(jì)算可得，5.067≤1≤17.751，2.013≤2≤8.012，1/2≤2.681。則選取某款兩擋變速器的一擋速比1為14.8，二擋速比2為6.5。

3 整車模型仿真及結(jié)果對(duì)比分析

采用Cruise對(duì)搭載單級(jí)減速器和兩擋變速器的整車進(jìn)行模型搭建和性能仿真，主要對(duì)整車的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行仿真對(duì)比分析[6]?？紤]到兩擋變速器增加了換擋機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率稍低，參考汽車傳動(dòng)系統(tǒng)效率推薦值將搭載單級(jí)減速器的傳動(dòng)系統(tǒng)效率設(shè)置為95%，搭載兩擋變速器的傳動(dòng)系統(tǒng)效率設(shè)置為92%[5]6。

3.1 動(dòng)力性能仿真對(duì)比分析

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算得出：當(dāng)車輛搭載單級(jí)減速器時(shí)，最高車速為133 km/h；當(dāng)搭載兩擋變速器時(shí)，最高車速為160 km/h。這是由于當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速確定時(shí)，速比越小車速越高，因此二擋小速比可以獲得更高的車速。從圖2（a）可以看出：當(dāng)車速為30 km/h時(shí)，搭載單級(jí)減速器的車輛爬坡度為33.2%；搭載兩擋變速器的車輛爬坡度為35.6%，爬坡度略有提升，當(dāng)車速在20 km/h以下時(shí)，爬坡度提升明顯，這是由于低速時(shí)一擋大速比對(duì)應(yīng)著更大的驅(qū)動(dòng)扭矩，有利于提升車輛的爬坡性能。從圖2（b）可以看出：搭載單級(jí)減速器的車輛百公里加速時(shí)間為10.91 s；搭載兩擋變速器的車輛百公里加速時(shí)間為12.25 s，時(shí)間有所延長(zhǎng)，但是在低速時(shí)（小于70 km/h），其百公里加速用時(shí)短于前者，這是因?yàn)榈退贂r(shí)采用一擋大速比，驅(qū)動(dòng)扭矩大使得加速時(shí)間縮短，而在高速時(shí)采用二擋小速比，驅(qū)動(dòng)扭矩小加速時(shí)間延長(zhǎng)。

圖2 動(dòng)力性能仿真對(duì)比結(jié)果

3.2 經(jīng)濟(jì)性能仿真對(duì)比分析

基于Cruise搭建的整車模型，分別對(duì)搭載單級(jí)減速器和兩擋變速器的車輛在NEDC工況、WLTC工況及等速60 km/h工況的續(xù)駛里程進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 經(jīng)濟(jì)性能仿真對(duì)比結(jié)果

注：①變化率=（兩擋變速器方案續(xù)駛里程-單級(jí)減速器方案續(xù)駛里程）/單級(jí)減速器方案續(xù)駛里程í100%。

由表3可以看出：兩擋減速器方案與單級(jí)減速器方案相比，3種工況下的續(xù)駛里程均呈現(xiàn)較大幅度提升。NEDC工況和WLTC工況的提升效果更為明顯，這是因?yàn)樽兯倨鲹Q擋能夠調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作點(diǎn)，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)盡可能工作在高效率區(qū)間。

NEDC工況和WLTC工況下兩擋減速器方案相對(duì)單級(jí)減速器方案的效率提升如圖3所示。

圖3 不同工況下驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率變化

由圖3可以看出：兩種工況下效率提升為正值的工況點(diǎn)占絕大部分，因此續(xù)駛里程提升效果顯著。在NEDC工況下，單個(gè)工況點(diǎn)效率提升最高可達(dá)8%，續(xù)駛里程提升22.453%；WLTC工況下，單個(gè)工況點(diǎn)效率提升最高可達(dá)12%，續(xù)駛里程提升41.096%；等速60 km/h工況，單級(jí)減速器與兩擋減速器方案相比，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率由82.085%提高至83.860%，續(xù)駛里程略有提升。

4 結(jié) 論

1）在車輛搭載驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配單級(jí)減速器時(shí)，參考驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率圖，NEDC及WLTC工況下電機(jī)絕大部分工作點(diǎn)效率偏低，電機(jī)的高效區(qū)域沒(méi)有得到充分利用。

2）在動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)不變的情況下，基于整車參數(shù)和性能要求對(duì)兩擋變速器的傳動(dòng)比進(jìn)行匹配計(jì)算：一擋速比為14.8，二擋速比為6.5。

3）基于Cruise軟件搭建整車模型，最高車速由采用單級(jí)減速器方案時(shí)133 km/h提高至采用兩擋變速器方案時(shí)160 km/h；當(dāng)車速為30 km/h時(shí)，爬坡度由33.2%提高至35.6%，而百公里加速時(shí)間有所延長(zhǎng)，但在低速時(shí)采用兩擋變速器方案加速性能更好；NEDC工況下續(xù)駛里程由273.498 km提升至334.906 km，WLTC工況下續(xù)駛里程由237.722 km提升至335.417 km，等速60 km/h工況下續(xù)駛里程由362.647 km提升至374.333 km。

4）使用兩擋減速器方案整車的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能均有不同程度的提升，且均滿足整車性能要求。

[1]楊克鋒. 純電動(dòng)汽車兩擋變速器換擋最優(yōu)控制[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2015：2-3.

[2]李耀剛，張碩，楊玨，等. 新型兩擋變速器設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)建模[J]. 機(jī)械傳動(dòng)，2019，43（3）：41-47.

[3]湯金沁，王玉林，朱虹燃，等. 純電動(dòng)汽車兩擋自動(dòng)變速器傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2016，54（10）：38-40.

[4]楊克鋒. 純電動(dòng)汽車自動(dòng)變速器換擋控制與速比優(yōu)化研究[D]. 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2015：19-21.

[5]余志生. 汽車?yán)碚揫M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018：6-24.

[6]岳鳳來(lái)，張俊紅，周能輝，等. 基于Cruise的純電動(dòng)轎車性能仿真與試驗(yàn)研究[J]. 汽車工程，2014，36（6）：669-672.

2020-08-24

U463.5

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.06.007

1002-4581（2020）06-0028-04