純電動(dòng)汽車兩擋自動(dòng)變速器傳動(dòng)比優(yōu)化及換擋品質(zhì)研究

程森+陸曉平+馬卓

摘 要：汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中，變速器作為關(guān)鍵構(gòu)件，直接影響整車性能。為了使電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率得到提升，對(duì)固定速比電動(dòng)汽車進(jìn)行改動(dòng)，采用兩擋傳動(dòng)比方案，促使驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作效率提高，進(jìn)而使整車動(dòng)力性能及經(jīng)濟(jì)性能得到提升。主要對(duì)純電動(dòng)汽車兩擋自動(dòng)變速器傳動(dòng)比優(yōu)化及換擋品質(zhì)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車；變速器；傳統(tǒng)比；換擋品質(zhì)

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.046

1 整車基本參數(shù)

基于傳統(tǒng)微型車對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行研究，保留原車懸掛系統(tǒng)，動(dòng)力電池采用錳酸鋰電池，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用永磁同步電機(jī)。綜合研究后，整車參數(shù)為：滿載質(zhì)量1 350 m/kg，機(jī)械傳動(dòng)效率0.9，輪胎滾動(dòng)半徑0.258 r/min，迎風(fēng)面積1.868 A/m2，空氣阻力系數(shù)0.31.

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 28382—2012標(biāo)準(zhǔn)及市場(chǎng)定位，整車動(dòng)力性指標(biāo)如下：30 min最高車速≥80 km/h，最大爬坡速度≥20%，4%坡度的爬坡車速≥60 km/h，12%坡度的爬坡車速≥30 km/h，工況法行駛里程≥100 km。

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)確定

對(duì)電機(jī)進(jìn)行選擇時(shí)，要確保電機(jī)最大限度地工作在高效區(qū)，同時(shí)也要考慮電池組的峰值放電倍率。

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率在最高車速時(shí)計(jì)算

以最高車速在水平道路上行駛，對(duì)加速阻力忽略不計(jì)，設(shè)風(fēng)速為0，那么電機(jī)的輸出功率即為：

（1）

式（1）中：P1為最高車速時(shí)驅(qū)動(dòng)功率；ηt為機(jī)械傳動(dòng)效率；mg為整車滿載質(zhì)量；f（u）為滾動(dòng)阻力系數(shù)；umax為最大車速；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積。

其中：

f（u）=1.2（0.009 8+0.002 5[u/（100 km/h）]+

0.000 4[u/（100 km/h）]4）. （2）

按照實(shí)際需求及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，選擇100 km/h車速，根據(jù)式（2），計(jì)算結(jié)果為0.015 24，代入式（1），計(jì)算結(jié)果為P1=13.2 kW。如果車速符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不低于85 km/h，那么電機(jī)的功率還可以選擇更小的。

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率在最大爬坡時(shí)計(jì)算

對(duì)爬坡行駛時(shí)所需要的功率進(jìn)行計(jì)算，忽略空氣阻力功率與加速阻力功率，那么電機(jī)輸出功率即為：

（3）

式（3）中：P2為最大爬坡度行駛功率；i為爬坡度；ua為爬坡時(shí)最低車速。

根據(jù)式（2）可計(jì)算出f（u）=0.012 7，根據(jù)式（3）可計(jì)算出P2=26 kW。

2.3 加速性能計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率

假設(shè)風(fēng)速為0，在水平道路上，電動(dòng)汽車輸出的最大功率位于整車加速過程的末時(shí)刻，則加速過程中需要的最大功率為：

（4）

式（4）中：P3為勻加速末時(shí)刻所需的最大功率；ta為勻加速時(shí)間；ua為勻加速時(shí)末速度。

根據(jù)GB/T 28382—2012國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)可知，ta取值為10 s，根據(jù)式（2）和式（4）可計(jì)算出P3=21.3 kW。根據(jù)式（1）計(jì)算，確定電機(jī)額定功率為15 kW，由式（3）和式（4）可知，電機(jī)峰值功率選定為30 kW。為了滿足成本因素與實(shí)際需求，最終選擇電機(jī)額定功率15 kW，峰值功率30 kW。

3 傳動(dòng)系傳統(tǒng)比確定

在行駛條件和電機(jī)特性不發(fā)生改變的情況下，對(duì)比以下幾種傳動(dòng)比的變速器使用動(dòng)力性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)比的優(yōu)化，使換擋品質(zhì)得到提高。

3.1 單一傳動(dòng)比動(dòng)力性能

為了兼顧最大爬坡度及最高車速，固定傳動(dòng)比選擇為6.963，則其阻力與動(dòng)力平衡，85 km/h為達(dá)到的最高車速，12%的坡度為最大坡度。為使爬坡性能得到滿足，將電機(jī)峰值功率加大到45 kW，轉(zhuǎn)速提高到9 000 r/min才能實(shí)現(xiàn)。這種工況下，存在的主要問題是需要提高電池放電功率，提高減速器齒輪潤(rùn)滑性，同時(shí)還會(huì)對(duì)倒擋時(shí)減速器輸入軸反轉(zhuǎn)帶來一定的影響。

3.2 兩擋傳動(dòng)比的動(dòng)力性能如果電機(jī)的功率輸入相同，兩擋變速器的高擋傳動(dòng)比與低擋傳動(dòng)比分別為6.5和10，通過計(jì)算，得到如圖1所示的阻力與動(dòng)力平衡圖。

由圖1可知，90 km/h是能夠達(dá)到的最高車速，而最大爬坡坡度達(dá)不到20%，只能接近。所以，需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出更高的功率才能實(shí)現(xiàn)更高的車速和爬坡度，這就要求電池的性能也要得到提升。

3.3 五擋變速器傳動(dòng)比的動(dòng)力性能

采用15 kW的額定功率時(shí)，五擋變速器的最大傳動(dòng)比與最小傳動(dòng)比分別為3.538和0.78，主減速傳動(dòng)比3.765，倒擋速比3.454.在15 kW額定功率條件下，96 km/h為五擋變速器可以達(dá)到的最高車速，最大爬坡坡度達(dá)到20%以上，動(dòng)力性能得到有效滿足。

如果行車速度只需要滿足85 km/h的最低標(biāo)準(zhǔn)車速，采用11 kW的額定功率電機(jī)，則五擋變速器的最大傳動(dòng)比與最小傳動(dòng)比分別為5.494和1.033，主減速傳動(dòng)比4.314，倒擋速比3.583.在11 kW額定功率條件下，車速最高可滿足85 km/h的需求，并且最大爬坡度也能夠達(dá)到20%.兩擋時(shí)，電池放電功率需求為30 kW，放電倍率為1.28；而采用五擋時(shí)，電池只需要提供15 kW的放電功率就可以滿足動(dòng)力性能，放電倍率為0.64.所以，使用五擋變速器時(shí)，對(duì)電池性能的要求大幅降低。

3.4 3類變速器對(duì)比

根據(jù)以上分析，電機(jī)如果選擇15 kW額定功率，則3種變速器的最高車速及最大爬坡度如表1所示。由表1可知，采用15 kW電機(jī)與五擋變速器配合，能夠滿足最高車速與最大爬坡度的需求。從能耗方面來看，同等工況條件下，五擋變速度輸出功率最低為11 kW，兩擋變速器最低需要輸出15 kW，單擋變速器則需要輸出45 kW。綜合對(duì)比可見，五擋變速器的能耗最低。

4 結(jié)論

通過本文研究可知，純電動(dòng)汽車兩擋自動(dòng)變速器傳動(dòng)比優(yōu)于單擋傳動(dòng)比，但與五擋傳動(dòng)比相比稍差。所以，對(duì)于兩擋變速器的純電動(dòng)汽車而言，為了提高傳統(tǒng)比，實(shí)現(xiàn)最大車速及最大爬坡度的提升，可對(duì)變速器進(jìn)行改進(jìn)，采用五擋變速器，能夠?qū)崿F(xiàn)汽車性能的提高?，F(xiàn)階段，五擋變速器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，而兩擋變速器研發(fā)成果顯然還不明顯，所以，五擋變速器可以直接應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)及成果，實(shí)現(xiàn)研發(fā)成本的降低，同時(shí)五擋變速器對(duì)電池、電機(jī)的要求都不高，是未來電動(dòng)汽車發(fā)展的主要方向。

參考文獻(xiàn)

[1]周兵，江清華，楊易.兩擋變速器純電動(dòng)汽車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性雙目標(biāo)的傳動(dòng)比優(yōu)化[J].汽車工程，2011，09（22）：792-79，828.

[2]劉振軍，崔榮賓，趙江靈，等.純電動(dòng)汽車兩擋變速器的研究與設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2014，02（15）：7-10，15.

〔編輯：劉曉芳〕

顯示查詢功能，巡檢員可通過PC端查詢電纜走向和電纜井等重要位置信息、具體點(diǎn)的全景勘察、地圖標(biāo)注施工坐標(biāo)、圖片檢索查詢；②設(shè)計(jì)電纜井、電纜路徑、施工作業(yè)點(diǎn)的上傳錄入功能，通過該功能完善后續(xù)修訂，編輯相關(guān)線路路徑，增加電纜井位置信息，電纜井、施工作業(yè)圖片錄入。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是：①安全性。管理系統(tǒng)中各種用戶的權(quán)限，用戶訪問系統(tǒng)需要進(jìn)行身份驗(yàn)證。②可維護(hù)性。通過模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)具備較好的可理解性、可測(cè)試性和可修改性。③可擴(kuò)展性。設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)功能，根據(jù)實(shí)際需求應(yīng)