王天利,張 鍵,張宏雙,熊金勝

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

行星齒輪兩檔變速器的純電動(dòng)汽車(chē)性能仿真

王天利,張 鍵,張宏雙,熊金勝

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

由于電動(dòng)汽車(chē)采用固定速比減速器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)很難同時(shí)滿足車(chē)輛的爬坡性能和最高車(chē)速要求，因此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了行星齒輪兩檔變速器。利用ADVISOR軟件建立行星齒輪兩檔變速器的純電動(dòng)汽車(chē)仿真模型，然后選擇CYC_ECE_ EUDC_LOW循環(huán)工況，對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)性能進(jìn)行仿真。結(jié)果表明：行星齒輪兩檔變速器的純電動(dòng)汽車(chē)能夠滿足我國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性要求，且電機(jī)大部分工作在高效率區(qū)域，為電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)和參數(shù)選取提供理論依據(jù)。

行星齒輪；純電動(dòng)汽車(chē)；兩檔變速器；ADVISOR軟件；仿真

0 引 言

為解決能源的緊缺和環(huán)境污染的加劇，電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)已經(jīng)逐步被人們重視。電動(dòng)汽車(chē)具有低排放、綜合利用能源的優(yōu)勢(shì)，能夠解決能源危機(jī)和環(huán)境污染等問(wèn)題，將成為21世紀(jì)重要的新型綠色環(huán)保交通工具[1]。電動(dòng)汽車(chē)使用驅(qū)動(dòng)電機(jī)取代發(fā)動(dòng)機(jī)，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，通過(guò)合理控制使用固定速比減速器基本能滿足電動(dòng)汽車(chē)行駛要求，但對(duì)電機(jī)的性能提出很高的要求[2]。關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)，國(guó)外研究的重點(diǎn)在混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力耦合方面，如德國(guó)的達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)把交流感應(yīng)電機(jī)和兩檔變速器組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，仿真表明該系統(tǒng)具有潛在優(yōu)勢(shì)，同時(shí)臺(tái)架試驗(yàn)也證明該系統(tǒng)可以改善純電動(dòng)汽車(chē)的性能[3]。然而國(guó)內(nèi)研究的重點(diǎn)在傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配和速比優(yōu)化方面，如上海交通大學(xué)，利用遺傳算法對(duì)電動(dòng)汽車(chē)固定速比減速器的速比進(jìn)行了優(yōu)化，并通過(guò)加權(quán)方式提出了一個(gè)綜合的適應(yīng)度函數(shù)，包括動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)等方面[4]。本文對(duì)一種純電動(dòng)汽車(chē)用行星齒輪兩檔變速器研究，利用ADVISOR仿真軟件對(duì)該變速器的電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)性能進(jìn)行建模并仿真研究，為以后電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)和參數(shù)選取提供了理論的依據(jù)。

1 兩檔變速器的工作原理

行星齒輪兩檔變速器原理如圖1所示。

圖1 行星齒輪兩檔變速器的原理圖

低速檔：當(dāng)雙離合器中左側(cè)離合器B1接合而右側(cè)離合器B2分離時(shí)，齒圈6與箱體5固聯(lián)，太陽(yáng)輪作輸入軸，行星架作輸出軸，單個(gè)行星排實(shí)現(xiàn)減速同向運(yùn)動(dòng)，得到低速檔。

高速檔：當(dāng)雙離合器中右側(cè)離合器B2接合而左側(cè)離合器B1分離時(shí)，齒圈6與行星架3固聯(lián)，單個(gè)行星排任何兩個(gè)件固聯(lián)，整個(gè)行星排整體傳動(dòng)，傳動(dòng)效率比較高，得到高速檔即為直接檔。

空檔：雙離合器中兩個(gè)離合器都不接合時(shí)，任何兩個(gè)件都沒(méi)有發(fā)生固聯(lián)，所有元件都不受約束，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，則行星齒輪機(jī)構(gòu)失去傳動(dòng)作用，此種狀態(tài)相當(dāng)于空檔。電機(jī)帶動(dòng)外齒圈6轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力輸出中斷。

倒檔：（利用電機(jī)反轉(zhuǎn)）當(dāng)雙離合器中左側(cè)離合器B1接合而右側(cè)離合器B2分離時(shí)，齒圈6與箱體5固聯(lián)，太陽(yáng)輪作輸入軸，行星架作輸出軸，單個(gè)行星排實(shí)現(xiàn)減速同向運(yùn)動(dòng)，得到倒檔。

2 兩檔變速器速比的選擇

低速檔在滿足汽車(chē)爬坡性能的同時(shí)，要電機(jī)在低速段時(shí)盡可能運(yùn)行在高效率區(qū)；高速檔在滿足汽車(chē)的最高車(chē)速的同時(shí)，盡量降低電機(jī)的輸入軸轉(zhuǎn)速，同時(shí)也要滿足電機(jī)在高速段時(shí)盡可能運(yùn)行在高效區(qū)域[5]。

根據(jù)單個(gè)行星排的特點(diǎn)，高速檔為直接檔，則主減速比由電動(dòng)汽車(chē)的最高車(chē)速確定，即有[6]：

式中：i0―――主減速比；

r―――輪胎滾動(dòng)半徑；

nmax―――電機(jī)最高轉(zhuǎn)速；

umax―――最高車(chē)速。

本文在寫(xiě)法上跟《童年的味道》有異曲同工之妙，小朋友們可以自行比較、學(xué)習(xí)。小朋友們還可以想一想：小作者的童年跟她爸爸的童年有什么不一樣？

變速器的低速檔速比由電動(dòng)汽車(chē)的最大爬坡度確定，則有：

式中：ig1―――低速檔速比；

Famax―――最大爬坡度時(shí)的行駛阻力；

ηT―――機(jī)械傳動(dòng)效率；

Tamax―――電機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩；

M―――整車(chē)質(zhì)量；

f―――滾動(dòng)摩擦系數(shù)；

圖2為電機(jī)效率map圖，表1為驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)。通過(guò)對(duì)電機(jī)效率特性、變速器的輸入轉(zhuǎn)速及對(duì)整車(chē)性能的綜合分析，最終選定的低速檔速比為4，高速檔速比為1，主減速比為3.5。在換檔控制策略中，換檔點(diǎn)的選擇對(duì)整車(chē)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性都有較大的影響，動(dòng)力模式下的換檔點(diǎn)是電機(jī)轉(zhuǎn)速在換檔前、后最大輸出總功率相等的任何轉(zhuǎn)速下；經(jīng)濟(jì)模式下的換檔點(diǎn)則保證電機(jī)在等功率模式下盡可能運(yùn)行在高效區(qū)域[7]。

圖2 電機(jī)效率map圖

表1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

3 整車(chē)動(dòng)力性能仿真

3.1 仿真模型

圖3 整車(chē)仿真模型

ADVISOR軟件采用的仿真思路是以向后仿真為主兼向前仿真[8]。在此思路上建立基于行星齒輪兩檔變速器的純電動(dòng)汽車(chē)仿真模型，如圖3所示。該模型包括電池、電機(jī)、行星齒輪兩檔變速器、車(chē)輪/軸和車(chē)輛等模塊。大部分模塊有兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出接口，傳遞需求的轉(zhuǎn)速和扭矩，同時(shí)傳遞實(shí)際的轉(zhuǎn)速和扭矩。

3.2 整車(chē)主要參數(shù)

所研究的電動(dòng)汽車(chē)以捷達(dá)轎車(chē)為研究對(duì)象進(jìn)行仿真。在進(jìn)行ADVISOR仿真過(guò)程中，首先要定義整車(chē)參數(shù)，整車(chē)主要參數(shù)如表2所示。

表2 整車(chē)主要參數(shù)

3.3 仿真工況的選擇

圖4 CYC_ECE_EUDC_LOW循環(huán)工況

在汽車(chē)性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要選擇汽車(chē)行駛循環(huán)工況進(jìn)行模擬試驗(yàn)，常使用的循環(huán)工況有：中國(guó)的貨車(chē)六工況、客車(chē)的城市四工況，日本10-15工況，歐洲典型駕駛循環(huán)ECE、CYC_ECE_EUDC循環(huán)工況、CYC_ECE_EUDC_LOW循環(huán)工況，美國(guó)城市駕駛循環(huán)UDDS等[9]。

圖5 仿真結(jié)果

圖6 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)際工作點(diǎn)

捷達(dá)轎車(chē)為城市用車(chē)，因此仿真以CYC_ECE_ EUDC_LOW循環(huán)工況為基礎(chǔ)。循環(huán)工況時(shí)間為1224s，行駛里程為10.59km，最大行駛速度為90km/h，平均速度為 31.11km/h，最大加速度為1.06 m/s2，最大減速度為-1.39 m/s2，行駛過(guò)程中共計(jì)停車(chē)13次[10]，如圖4所示。

3.4 仿真結(jié)果與分析

圖5為兩檔變速器的純電動(dòng)汽車(chē)的仿真結(jié)果，自上而下分別為整車(chē)在路面工況行駛的車(chē)速、電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速、電機(jī)輸出的扭矩和變速器的速比。從圖5中的仿真結(jié)果圖中可知，純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所匹配的參數(shù)滿足所選的工況，行駛安全穩(wěn)定。當(dāng)車(chē)速達(dá)到循環(huán)道路最高車(chē)速90km/h時(shí)，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速大約為311.54 rad/s，電機(jī)輸出的最大扭矩為91.5 N·m，純電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)輸出的功率和扭矩基本能夠滿足整車(chē)行駛動(dòng)力性需求，變速器在低速檔時(shí)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩比較小，而高速檔時(shí)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩相對(duì)高一些。

其他仿真結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 其他仿真結(jié)果

圖6為純電動(dòng)汽車(chē)在循環(huán)工況下行駛時(shí)電機(jī)效率圖，電機(jī)的工作效率點(diǎn)大部分高于0.85，電機(jī)主要在高效率區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，因此所選驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行效率是較合理的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用行星齒輪兩檔變速器的電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)，降低了對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能要求。對(duì)電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配，利用ADVISOR軟件對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的性能仿真分析，結(jié)果表明能夠滿足我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性要求，且驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作效率點(diǎn)大部分運(yùn)行在高效率區(qū)域內(nèi)，為以后電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)和參數(shù)選取提供理論依據(jù)。

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Simulation of electric vehicle’s performance with planetary gear two-speed transmission

WANG Tian-li，ZHANG Jian，ZHANG Hong-shuang，XIONG Jin-sheng
（Institute of Automotive and Transportation Engineering，Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001，China）

Since higher request was put forward to the motor of the electric vehicle with a fixed speed ratio reducer and it is difficult to meet the performance requirements of gradeability and maximum speed，planetary gear two-speed transmission was designed and developed.By use of ADVISOR software，a simulation model of the electric vehicle is established with planetary gear two-speed transmission and selecting the CYC_ECE_EUDC_LOW cycle，and the electric vehicle’s performance was simulated.Simulation results show electric vehicles with planetary gear two-speed transmission can meet requirements for electric vehicle’s dynamic performance of the country. Furthermore，the motor can mainly work in the high efficiency region.These conclusions provide a theoretical basis for the design and parameter selection of electric vehicle.

planetary gear；electric vehicle；two-speed transmission；ADVISOR；simulation

TH16；U469.72；U469.212.4；TP391.9

：A

：1674-5124（2014)03-0125-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.033

2013-06-28；

：2013-08-21

王天利（1957-），男，遼寧錦州市人，教授，碩士，研究方向?yàn)槠?chē)測(cè)試技術(shù)、汽車(chē)動(dòng)力學(xué)。