員汝娜Yun Runa

采用單級減速器和兩擋變速器的純電動汽車性能對比研究

員汝娜
Yun Runa

（河南速達電動汽車科技有限公司，河南 三門峽 472000）

針對純電動汽車在動力電池和驅(qū)動電機固定不變的前提下，變速器作為動力傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對整車性能起著至關(guān)重要的作用。為了增強車輛的動力性能及延長續(xù)駛里程，將搭載單級減速器的電動汽車改為兩擋變速器方案，并對傳動比參數(shù)進行匹配計算。基于Cruise軟件搭建整車模型，對整車性能進行仿真計算。結(jié)果表明：改進后車輛的動力性能和續(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%。

純電動汽車；單級減速器；兩擋變速器；動力性能；續(xù)駛里程

0 引 言

目前，全球主流純電動汽車均采用驅(qū)動電機匹配單級減速器的方案[1]。雖然單級減速器結(jié)構(gòu)相對簡單且容易實現(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)動總成系統(tǒng)的效率，在行駛過程中驅(qū)動電機多數(shù)情況下無法處于高效率工作點[2]。兩擋減速器作為純電動汽車未來的發(fā)展趨勢，對于相同的整車性能要求，可有效減小電機扭矩、轉(zhuǎn)速，降低電機設(shè)計難度，優(yōu)化電機運行狀態(tài)，使電機盡量工作在高效率的轉(zhuǎn)速區(qū)間，從而達到降低損耗、提高續(xù)駛里程的效果[3]。為了提升車輛的動力性能和續(xù)駛里程，基于某款純電動汽車，將原有的單級減速器替換為兩擋變速器，并對兩擋傳動比參數(shù)進行了匹配計算，同時基于Cruise模型仿真計算，對搭載電機減速器和兩擋變速器車輛的動力性和經(jīng)濟性進行對比分析。

1 典型工況下電機工作點分析

1.1 整車相關(guān)參數(shù)

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

整車基本參數(shù)及性能要求見表1，原有的動力系統(tǒng)參數(shù)見表2。

表1 整車基本參數(shù)和性能要求

續(xù)表1

表2 整車原有的動力系統(tǒng)參數(shù)

1.2 典型循環(huán)工況分析

針對純電動汽車，目前國內(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)工況進行分析，結(jié)合整車參數(shù)與傳動系統(tǒng)參數(shù)可以得到驅(qū)動電機在兩種工況下的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩點，各工作點如圖1所示。

通過圖1可知，車輛搭載驅(qū)動電機匹配單級減速器時，在NEDC工況及WLTC工況下絕大部分電機工作點效率偏低，電機的高效區(qū)沒有得到充分利用，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、更少的加速時間和更大的最大爬坡度，而且通過高、低速擋之間的切換，可以使電機盡量工作在高效率區(qū)間，延長車輛續(xù)駛里程，實現(xiàn)整車動力性能和經(jīng)濟性能的同步提升。

2 兩擋變速器速比匹配

汽車傳動系統(tǒng)速比的選擇需要兼顧整車經(jīng)濟性和動力性的要求，針對兩擋變速器方案，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，同時合理設(shè)計速比使行駛過程中驅(qū)動電機工作點的高頻區(qū)與高效區(qū)重合達到延長續(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；為滾動阻力系數(shù)；為最大爬坡度對應的坡度角；D為風阻系數(shù)；為迎風面積；v為爬坡車速；為輪胎滾動半徑；為傳動系統(tǒng)機械效率；max為驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)矩。

為了防止驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)，要求作用在驅(qū)動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為地面對驅(qū)動輪的法向反作用力。

根據(jù)驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)速下對應的最大轉(zhuǎn)矩和最高車速對應的行駛阻力，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)動電機額定工況下峰值轉(zhuǎn)速對應的輸出轉(zhuǎn)矩。

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

式中：max為驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)速。

為了防止兩擋速比分配不當造成換擋時驅(qū)動力中斷，一般要求一擋下電機峰值轉(zhuǎn)速對應的驅(qū)動力應小于等于電機額定轉(zhuǎn)速下對應的驅(qū)動力，如式（5）所示。

式中：e為驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)速。

通過式（1）～式（5）計算可得，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)果對比分析

采用Cruise對搭載單級減速器和兩擋變速器的整車進行模型搭建和性能仿真，主要對整車的動力性能和經(jīng)濟性能進行仿真對比分析[6]。考慮到兩擋變速器增加了換擋機構(gòu)，結(jié)構(gòu)復雜，效率稍低，參考汽車傳動系統(tǒng)效率推薦值將搭載單級減速器的傳動系統(tǒng)效率設(shè)置為95%，搭載兩擋變速器的傳動系統(tǒng)效率設(shè)置為92%[5]6。

3.1 動力性能仿真對比分析

經(jīng)過仿真計算得出：當車輛搭載單級減速器時，最高車速為133 km/h；當搭載兩擋變速器時，最高車速為160 km/h。這是由于當驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速確定時，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：當車速為30 km/h時，搭載單級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，當車速在20 km/h以下時，爬坡度提升明顯，這是由于低速時一擋大速比對應著更大的驅(qū)動扭矩，有利于提升車輛的爬坡性能。從圖2（b）可以看出：搭載單級減速器的車輛百公里加速時間為10.91 s；搭載兩擋變速器的車輛百公里加速時間為12.25 s，時間有所延長，但是在低速時（小于70 km/h），其百公里加速用時短于前者，這是因為低速時采用一擋大速比，驅(qū)動扭矩大使得加速時間縮短，而在高速時采用二擋小速比，驅(qū)動扭矩小加速時間延長。

圖2 動力性能仿真對比結(jié)果

3.2 經(jīng)濟性能仿真對比分析

基于Cruise搭建的整車模型，分別對搭載單級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)駛里程進行仿真計算，結(jié)果見表3。

表3 經(jīng)濟性能仿真對比結(jié)果

注：①變化率=（兩擋變速器方案續(xù)駛里程-單級減速器方案續(xù)駛里程）/單級減速器方案續(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，這是因為變速器換擋能夠調(diào)節(jié)驅(qū)動電機工作點，使驅(qū)動電機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單級減速器方案的效率提升如圖3所示。

圖3 不同工況下驅(qū)動電機系統(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，單個工況點效率提升最高可達8%，續(xù)駛里程提升22.453%；WLTC工況下，單個工況點效率提升最高可達12%，續(xù)駛里程提升41.096%；等速60 km/h工況，單級減速器與兩擋減速器方案相比，驅(qū)動電機系統(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)動電機匹配單級減速器時，參考驅(qū)動電機效率圖，NEDC及WLTC工況下電機絕大部分工作點效率偏低，電機的高效區(qū)域沒有得到充分利用。

2）在動力電池和驅(qū)動電機不變的情況下，基于整車參數(shù)和性能要求對兩擋變速器的傳動比進行匹配計算：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減速器方案時133 km/h提高至采用兩擋變速器方案時160 km/h；當車速為30 km/h時，爬坡度由33.2%提高至35.6%，而百公里加速時間有所延長，但在低速時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力性能和經(jīng)濟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. 純電動汽車兩擋變速器換擋最優(yōu)控制[D]. 長春：吉林大學，2015：2-3.

[2]李耀剛，張碩，楊玨，等. 新型兩擋變速器設(shè)計與動力學建模[J]. 機械傳動，2019，43（3）：41-47.

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

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

[5]余志生. 汽車理論[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2018：6-24.

[6]岳鳳來，張俊紅，周能輝，等. 基于Cruise的純電動轎車性能仿真與試驗研究[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