景 柱，符純明，干年妃

（湖南大學(xué)新能源汽車研究中心，湖南，長沙 410082）

面臨著全球能源危機的不斷逼近，各國政府和企業(yè)都投入巨大的資金研發(fā)新能源汽車。目前，純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車的成熟度還有待發(fā)展，純電動汽車的瓶頸在于其動力電池。動力電池、電機參數(shù)、變速器匹配結(jié)果的優(yōu)劣決定著汽車的動力性和經(jīng)濟性。

國內(nèi)外對電動汽車的研究主要集中在動力電池和電驅(qū)動系統(tǒng)控制策略兩個方面。查鴻山等從車輛動力學(xué)出發(fā)建立電機功率計算模型，結(jié)合動力性指標(biāo)對動力傳動系統(tǒng)進行優(yōu)化[1]；徐亞磊以電動汽車動力性和續(xù)駛里程為設(shè)計指標(biāo)，對驅(qū)動系統(tǒng)元件參數(shù)進行匹配優(yōu)化設(shè)計[2]；王峰等提出了一種新型的調(diào)速電機和行星減速機構(gòu)的動力傳動系統(tǒng)，并優(yōu)化該傳動裝置參數(shù)以提高動力性和經(jīng)濟性[3]；S. Rinderknecht等將純電動汽車動力系統(tǒng)細(xì)分為輪轂驅(qū)動、軸旁驅(qū)動和軸中驅(qū)動系統(tǒng)，并結(jié)合變速器進行了匹配分析[4]。本文依托某純電動汽車研發(fā)項目，對其動力傳動系統(tǒng)中電機功率的選擇與單擋、兩擋和5擋變速器的匹配，理論計算證實采用相同功率的電機使用5擋變速器能更好地滿足動力性要求，并運用ADVISOR進行5擋變速器與15 kW電機續(xù)駛里程仿真，仿真結(jié)果表明其續(xù)駛里程超過國家標(biāo)準(zhǔn)。

1 整車基本參數(shù)和設(shè)計目標(biāo)

1.1 整車參數(shù)

本項目研發(fā)的電動汽車依托于傳統(tǒng)的微型車，在保留原有的懸架系統(tǒng)、換擋機構(gòu)和車架的基礎(chǔ)上，采用錳酸鋰電池作為動力電池，永磁同步電機作為驅(qū)動電機。綜合權(quán)衡，其整車參數(shù)見表1。

表1 整車參數(shù)

1.2 動力性指標(biāo)

根據(jù)本項目的市場定位和國標(biāo)GB/T 28382—2012標(biāo)準(zhǔn)，確定其整車動力性指標(biāo)見表2。

表2 動力性指標(biāo)

2 驅(qū)動電機參數(shù)確定

選擇電機時應(yīng)使電機盡可能工作在高效區(qū)，同時還需考慮電池組的峰值放電倍率。

2.1 最高車速時計算驅(qū)動電機功率

在水平道路上以最高車速勻速行駛時忽略加速阻力[5-6]，假定風(fēng)速為0，則需電機輸出功率為

式中：P1為最高車速時驅(qū)動功率；m為整車滿載質(zhì)量，kg；umax為最高車速，km/h；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2；ηt為機械傳動效率；f(u)為滾動阻力系數(shù)。

其中[7]

根據(jù)國標(biāo)和實際需求選定車速為100 km/h，由式（2）計算得f(u)=0.015 24，由式（1）計算得P1≈13.2 kW。若車速只需滿足國家標(biāo)準(zhǔn)不小于85 km/h，則可以選擇功率更小的電機。

2.2 最大爬坡度時計算驅(qū)動電機功率

在計算最大爬坡度行駛時的所需功率，應(yīng)忽略加速阻力功率和空氣阻力功率[5-6]，其電機輸出功率為

式中：P2為最大爬坡度行駛功率；ua為爬坡時最低車速，30 km/h；i為爬坡度，20%。

由式（2）計算得f(u)≈0.012 7，由式（3）計算得P2≈26 kW。

2.3 加速性能計算驅(qū)動電機峰值功率

在水平道路上，假定風(fēng)速為0，整車加速過程的末時刻為電動汽車輸出最大功率，其加速過程所需最大功率為[8]

式中：P3為勻加速末所需的最大功率；ua為勻加速時末速度，km/h；ta為勻加速時間，s。

由國標(biāo)GB/T 28382—2012可知，0～50 km/h的加速時間不超過10 s，ta取10 s；由式（2）與式（4）計算可知 P3≈21.3 kW。

由式（1）計算可知選定電機的額定功率為15 kW，由式（3）與式（5）計算可知選定電機的峰值功率為30 kW?；跐M足實際需求和成本因素，選擇電機額定功率和峰值功率分別為15 kW和30 kW。

2.4 電機特性參數(shù)確定

參照電機設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，確定額定電機額定轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，電機的外特性控制成額定轉(zhuǎn)速以下恒轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速以上恒功率，據(jù)此電機試驗數(shù)據(jù)繪出電機外特性如圖1所示。

3 傳動系傳動比確定

假定電機特性與行駛條件不變，對以下4種傳動比的變速器的使用選擇進行動力性分析比較。

3.1 單一傳動比的動力性能

為兼顧最高車速和最大爬坡度，采用固定傳動比為6.963。其動力與阻力平衡圖如圖2所示。

由圖2可見，最高車速能達到85 km/h，最大爬坡度只能達到12%。為了滿足爬坡性能的要求，不得不將電機功率加大到峰值45 kW，將電機轉(zhuǎn)速提高到9 000 r/min。帶來的弊病是電池放電功率需要提高，減速器齒輪和潤滑性能需要提高，還要考慮倒擋時減速器輸入軸反轉(zhuǎn)帶來的影響。

3.2 兩擋傳動比的動力性能

采用相同功率的電機輸入，兩擋變速器其高擋傳動比為6.5，低擋傳動比為10。計算得到的動力與阻力平衡圖如圖3所示。

由圖3可知，最高車速只能達到90 km/h，最大爬坡度只能接近20%。因此，需要更高的車速和爬坡度則需更高功率的驅(qū)動電機，同樣對電池的性能要求更高。

3.3 5擋傳動比的動力性能

3.3.1 15 kW電機與5擋變速器動力性能分析

采用額定功率為15 kW的輸入，其5擋變速器最大傳動比為3.538，最小傳動比為0.78，倒擋速比為3.454，主減速傳動比為3.765。此5擋變速器與15 kW電機其動力性分析如圖4所示。由圖4可知最高車速可以達到96 km/h，最大爬坡度大大超過20%，能很好地滿足動力性的要求。

3.3.2 11 kW電機與5擋變速器動力性能分析

如果只需滿足最低標(biāo)準(zhǔn)車速為85 km/h的要求，則選擇電機額定功率為11 kW，其5擋變速器的最大傳動比為5.494，最小傳動比為1.033，倒擋速比為3.583，主減速傳動比為4.314，此5擋變速器與11 kW電機的動力平衡分析如圖5所示。

由圖5可知，最高車速滿足85 km/h的要求，其最大爬坡度也超過20%。采用兩擋時需電池提供30 kW的放電功率，其放電倍率約為1.28，采用5擋時滿足同樣的動力性能只需電池提供15 kW放電功率，其放電倍率約為0.64，從而降低了對電池性能的要求。

3.4 三類變速器最高車速和最大爬坡度對比

結(jié)合以上動力性能分析，得出15 kW電機與單擋、兩擋和5擋變速器的各自最高車速和最大爬坡度見表3。由表3可知，采用5擋變速器結(jié)合15 kW電機能很好地滿足爬坡度與最高車速要求，比采用單擋和兩擋其最高車速高出12.9%和6.7%，最大爬坡度約為26%。

表3 比較15 kW與不同擋位變速器動力性

4 續(xù)駛里程仿真計算

ADVISOR是由美國國家可再生能源實驗室（NREL）開發(fā)的一款用于電動汽車仿真研究軟件。采用后向仿真與前向仿真相結(jié)合，但以后向仿真為主。后向仿真一般用于初期的系統(tǒng)預(yù)估，從系統(tǒng)需求出發(fā)，假定車輛按指定工況行駛，通過計算得到滿足工況要求的各個輸入變量的值[9]。

采用ADVISOR軟件原有的整車模型、電機模型、電池模型和減速器模型，按設(shè)計目標(biāo)設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)，采用電池的電壓為288 V，容量為70 A·h，并與5擋變速器聯(lián)合仿真，當(dāng)SOC低于30%時停止仿真。采用15 kW驅(qū)動電機在50 km/h等速工況和美國環(huán)境保護署EPA制動的城市道路循環(huán)（Urban Dynamometer Driving Schedule，UDDS）工況下仿真[10-11]，其續(xù)駛里程分別為164.7 km和121 km。仿真結(jié)果表明，采用5擋變速器能很好地滿足續(xù)駛里程要求。

5 結(jié)論

本車型原配置5擋手動變速器，在此基礎(chǔ)上，改成電動汽車，可以獲得低成本高性能的效果，并且有利于產(chǎn)業(yè)化共線總裝，有利于持續(xù)發(fā)展。通過單擋、兩擋和5擋對比驗證了改造的電動汽車，使用傳統(tǒng)汽油車的變速器，是事半功倍的好途徑。

（1）使用5擋變速器其動力性取得了令人滿意的效果，其續(xù)駛里程能達到121 km。

（2）在相同整車動力性要求下，采用兩擋變速器則需要電機額定功率為30 kW，而5擋變速器只需將電機額定功率選為15 kW，這使電池的放電倍率由1.28降低為0.64，電池放電功率隨之降低，從而降低了對動力電池的要求和減少了整車成本。

目前，5 擋變速器早已產(chǎn)業(yè)化，而兩擋變速器正處于研發(fā)階段，使用5 擋變速器不但能降低研發(fā)成本，還能降低對電機和電池的要求，是未來電動汽車發(fā)展的方向。

References)

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