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)的關鍵部件，對整車性能起著至關重要的作用。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?；贑ruise軟件搭建整車模型，對整車性能進行仿真計算。結果表明：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動電機匹配單級減速器的方案[1]。雖然單級減速器結構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，且不利于提升電驅動總成系統(tǒng)的效率，在行駛過程中驅動電機多數(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、轉速，降低電機設計難度，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 整車相關參數(shù)

所研究的純電動汽車是在動力電池和驅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，結合整車參數(shù)與傳動系統(tǒng)參數(shù)可以得到驅動電機在兩種工況下的轉速-轉矩點，各工作點如圖1所示。

通過圖1可知，車輛搭載驅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，同時合理設計速比使行駛過程中驅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為驅動電機峰值轉矩。

為了防止驅動輪滑轉，要求作用在驅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為地面對驅動輪的法向反作用力。

根據(jù)驅動電機峰值轉速下對應的最大轉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為驅動電機額定工況下峰值轉速對應的輸出轉矩。

根據(jù)驅動電機峰值轉速和最高車速，由式（4）確定二擋速比上限。

式中：max為驅動電機峰值轉速。

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

式中：e為驅動電機額定轉速。

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]?？紤]到兩擋變速器增加了換擋機構，結構復雜，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)效率設置為95%，搭載兩擋變速器的傳動系統(tǒng)效率設置為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。這是由于當驅動電機最高轉速確定時，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，驅動扭矩小加速時間延長。

圖2 動力性能仿真對比結果

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，結果見表3。

表3 經(jīng)濟性能仿真對比結果

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節(jié)驅動電機工作點，使驅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 論

1）在車輛搭載驅動電機匹配單級減速器時，參考驅動電機效率圖，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計[J]. 農業(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