李卓強(qiáng)，陳勇，李睿

（河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130）

前言

在“一帶一路”大背景下新能源汽車持續(xù)快速發(fā)展，發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為我國(guó)從汽車大國(guó)邁向汽車強(qiáng)國(guó)的標(biāo)志之一。傳統(tǒng)的純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般裝配單級(jí)減速器，為滿足整車的動(dòng)力性要求，對(duì)電機(jī)的要求較高[1]，文獻(xiàn)[2-3]通過(guò)研究多級(jí)和單級(jí)減速器傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)特性，證明多擋變速器可以有效改善整車性能。

文章通過(guò)針對(duì)某款裝備單級(jí)減速器的純電動(dòng)汽車的整車參數(shù)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行了再選型，并計(jì)算出滿足動(dòng)力性的傳動(dòng)比范圍，在AVL CRUISE內(nèi)建立整車模型并矩陣計(jì)算優(yōu)化得到NEDC工況下能耗最低的傳動(dòng)比組合，在提升動(dòng)力性的同時(shí)有效降低整車能耗。

1 整車參數(shù)及性能要求

文章研究對(duì)象為某款裝備單級(jí)減速器的純電動(dòng)汽車，主要參數(shù)如表1所示，性能要求如表2所示。

表1 整車主要參數(shù)

表2 主要性能要求

2 變速器構(gòu)型及驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

2.1 變速器布置形式

傳統(tǒng)裝配 AMT變速箱的車輛動(dòng)力傳輸路線為：發(fā)動(dòng)機(jī)—離合器—變速箱—差速器。由于離合器的限制，為避免離合器打滑延長(zhǎng)接合時(shí)間，車輛起步階段電機(jī)轉(zhuǎn)矩不能過(guò)大。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng) AMT變速箱內(nèi)無(wú)差速器，對(duì)布置空間要求較高。新型兩擋變速器結(jié)構(gòu)如圖1所示。變速箱無(wú)離合器，起步階段在電動(dòng)機(jī)輸出較大扭矩的工況下仍可以快速平穩(wěn)起步，且變速箱內(nèi)部集成差速器，可直接向左右半軸輸出動(dòng)力，整體布置緊湊，節(jié)省布置空間。另外，由于移除離合器，電動(dòng)機(jī)輸出軸與變速箱輸入軸為常連接形式，換擋過(guò)程中電動(dòng)機(jī)可主動(dòng)調(diào)速減小換擋沖擊，提高換擋速度。

圖1 兩擋自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)布置圖

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率

電動(dòng)汽車在穩(wěn)態(tài)行駛中應(yīng)滿足功率平衡，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率應(yīng)當(dāng)滿足電動(dòng)汽車在最高速度行駛時(shí)功率平衡。驅(qū)動(dòng)電機(jī)有一定過(guò)載能力，一般可以按照最高車速90%限定額定功率，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率需滿足：

式中：νmax為最高車速；ηt為傳動(dòng)系統(tǒng)效率；Pe為驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率。

2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率應(yīng)同時(shí)滿足電動(dòng)汽車瞬時(shí)最高車速，最大爬坡度和加速性能的要求。

瞬時(shí)最高車速所需峰值功率可根據(jù)式（1）可計(jì)算得出驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率Pmax_ν。

最大爬坡度所需功率為純電動(dòng)汽車以某一速度完成最大爬坡時(shí)的功率需求：

式中：Pmax_i為滿足最大爬坡度要求的峰值功率；αmax為最大爬坡角度；νi為爬坡車速。

純電動(dòng)汽車加速時(shí)的功率需求為[4]：

式中：Pmax_a為滿足最短加速時(shí)間要求的峰值功率；νa為加速過(guò)程的終速；t為加速時(shí)間。

綜上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率：

2.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)擬合曲線

綜合考慮整車動(dòng)力性能和成本要求，取驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率為100kW，額定功率42kW，并根據(jù)電機(jī)特性選取電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為7200rpm。

由于電機(jī)的基速對(duì)電機(jī)峰值扭矩影響較大，因此，保持電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速7200rpm，額定功率42kW，峰值功率100kW這三個(gè)參數(shù)不變，基速分別取3000rpm，3500rpm，4000rpm擬合三組電機(jī)的外特性曲線。擬合電機(jī)的理想外特性曲線分別如下圖2、圖3、圖4所示。電機(jī)最大輸出功率在額定轉(zhuǎn)速附近達(dá)到峰值功率100kW。

圖2 3000rpm時(shí)外特性曲線

圖3 3500rpm時(shí)外特性曲線

圖4 4000rpm時(shí)外特性曲線

2.5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)確定

為滿足車輛的爬坡度與0-100km/h加速時(shí)間需求，同時(shí)盡量降低電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩，最后取電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3500rpm，峰值轉(zhuǎn)矩 275Nm。按照額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)輸出額定功率計(jì)算得電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為 114.6Nm，取額定轉(zhuǎn)矩為115Nm。因此初步確定電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)具體參數(shù)如下表3所示。

表3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

3 傳動(dòng)比范圍確定

3.1 一擋傳動(dòng)比范圍

一擋傳動(dòng)比的最小值應(yīng)當(dāng)保證車輛所要求的最大爬坡度與0-100km/h加速性能，因此有[5]：

式中：Rw為車輪旋轉(zhuǎn)半徑；Tmax為電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩；ν表示爬坡速度；α表示爬坡角度；Pmax表示電機(jī)的峰值功率；ne表示電機(jī)額定轉(zhuǎn)速；δ表示整車旋轉(zhuǎn)慣量換算系數(shù)。

一擋傳動(dòng)比最大值應(yīng)避免驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)，由電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩與路面附著系數(shù)確定：

式中：φ為路面附著系數(shù)，fz為驅(qū)動(dòng)輪反作用力。

3.2 二擋傳動(dòng)比范圍

二擋總傳動(dòng)比的最大值應(yīng)當(dāng)保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速時(shí)車輛可以達(dá)到所要求的最高車速。

二擋總傳動(dòng)比的最小值由電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩與最高車速對(duì)應(yīng)的行駛阻力確定：

式中：Tn_max為電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩。

3.3 總傳動(dòng)比范圍確定

除上述動(dòng)力性約束外，由于是基于現(xiàn)有車型對(duì)其動(dòng)力總車再開(kāi)發(fā)，因此變速器整體尺寸、輸入輸出軸中心距也需要綜合考慮；另一方面也應(yīng)考慮大減速比帶來(lái)的振動(dòng)噪聲、潤(rùn)滑等問(wèn)題。綜合考慮以上約束條件，初步確定一擋總傳動(dòng)比范圍為8.63～14.28，二擋總傳動(dòng)比范圍為3.14～6.14，文章將在該范圍內(nèi)對(duì)傳動(dòng)比數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

4 傳動(dòng)比優(yōu)化

上節(jié)通過(guò)計(jì)算動(dòng)力性指標(biāo)，結(jié)合整車結(jié)構(gòu)參數(shù)確定了兩擋變速器的大致速比范圍，本節(jié)以NEDC循環(huán)工況下的耗電量作為經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在滿足動(dòng)力性能的前提下，使耗電量最低的傳動(dòng)比組合即為最優(yōu)傳動(dòng)比組合。

4.1 整車模型

在AVL CRUISE內(nèi)建立純電動(dòng)汽車整車模型，包括整車參數(shù)模塊、輪胎模塊、制動(dòng)模塊、差速器模塊、變速器模塊、電動(dòng)機(jī)模塊、電池模塊、駕駛員模塊等。各模塊均按照整車實(shí)際參數(shù)設(shè)置。

圖5 AVL CRUISE內(nèi)搭建模型圖

4.2 換擋規(guī)律制定

換擋規(guī)律一般包括經(jīng)濟(jì)型換擋規(guī)律和動(dòng)力性換擋規(guī)律。動(dòng)力性換擋規(guī)律下整車能保證當(dāng)前狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)輪擁有最大驅(qū)動(dòng)力矩，經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律下整車能保證當(dāng)前狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)電機(jī)擁有最優(yōu)效率，無(wú)論動(dòng)力性還是經(jīng)濟(jì)性換擋曲線為了避免循環(huán)換擋，降擋曲線應(yīng)在升擋曲線基礎(chǔ)上有一定延遲[6]。然而兩種方法制定換擋規(guī)律的前提是變速器速比已知。當(dāng)速比未確定時(shí)，速比和換擋規(guī)律存在相互耦合關(guān)系，無(wú)法確定出通用換擋規(guī)律，只能根據(jù)某一特定速比制定對(duì)應(yīng)的換擋規(guī)律，大大增加工作量。一方面純電動(dòng)汽車行駛特性不需要頻繁換擋，另一方面城市道路情況最高車速一般不超過(guò)70km/h，因此設(shè)定基于速度的單參數(shù)通用換擋規(guī)律，策略為時(shí)速大于70km/h時(shí)升擋，時(shí)速低于45km/h時(shí)降擋。

4.3 經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)傳動(dòng)比確定

NEDC是測(cè)試電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性的典型循環(huán)工況，在AVL CRUISE計(jì)算各速比NEDC循環(huán)工況下每百公里耗電量即可確定經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)速比。使用軟件內(nèi)的矩陣計(jì)算工具，在所選定的兩個(gè)擋位總傳動(dòng)比范圍內(nèi)取以0.01為間隔進(jìn)行傳動(dòng)比組合并進(jìn)行能耗仿真，得到如圖6所示的不同傳動(dòng)比組合下每百公里NEDC循環(huán)工況耗電量。

圖6 優(yōu)化結(jié)果

該曲面上最低點(diǎn)的坐標(biāo)即為使經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu)的傳動(dòng)比組合。由圖7得出，當(dāng)一擋總傳動(dòng)比11.64，二擋總傳動(dòng)比4.78，NEDC百公里耗電量15.49kWh，滿足表2所示的整車經(jīng)濟(jì)性要求且耗電量最少。

4.4 仿真結(jié)果對(duì)比

原車采用的是一款單擋變速器，總傳動(dòng)比為7.85。下圖為單級(jí)速比和兩擋最優(yōu)速比在 NEDC工況下工作點(diǎn)分布情況，位于80%效率區(qū)間以上的工作點(diǎn)，單級(jí)減速器占比66%，多擋變速器占比72%。兩擋變速器有效提高了循環(huán)工況內(nèi)的電機(jī)平均效率。

圖7 單級(jí)減速器工作點(diǎn)

圖8 兩擋變速器工作點(diǎn)

在軟件內(nèi)對(duì)單級(jí)和兩擋變速器進(jìn)行動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真，驗(yàn)證該動(dòng)力系統(tǒng)匹配是否合理，結(jié)果如表4所示。文章所匹配的動(dòng)力系統(tǒng)在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，較原單擋減速器，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性均有所改善。

表4 對(duì)比結(jié)果

5 結(jié)論

文章針對(duì)某裝配單級(jí)減速器的電動(dòng)汽車，進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型和兩擋變速器傳動(dòng)比范圍確定，并使用AVL CRUISE優(yōu)化得到經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)傳動(dòng)比組合，有以下結(jié)論：

（1）在進(jìn)行傳動(dòng)比優(yōu)化范圍時(shí)，除根據(jù)動(dòng)力性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算外也應(yīng)結(jié)合整車布置空間、噪聲、潤(rùn)滑等問(wèn)題和工程經(jīng)驗(yàn)確定速比范圍；

（2）由于傳動(dòng)比和換擋規(guī)律存在耦合關(guān)系，開(kāi)發(fā)前期可以先使用通用單參數(shù)換擋規(guī)律進(jìn)行速比優(yōu)化，降低前期開(kāi)發(fā)工作量；

（3）相較于原車采用的固定傳動(dòng)比變速器，采用兩擋變速器后百公里整車加速時(shí)間降低 27%、爬坡度提高 96%，NEDC工況下百公里能耗降低4.5%，證明了兩擋變速器的存在意義；

（4）根據(jù)當(dāng)前確定的最優(yōu)速比后期可進(jìn)行最優(yōu)換擋規(guī)律優(yōu)化研究，進(jìn)一步改善整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。