純電動客車自動機械式變速器參數(shù)匹配研究

鐘 迪 徐 濤

(武漢交通職業(yè)學(xué)院 汽車學(xué)院 湖北 武漢：430065)

純電動汽車是未來新能源汽車發(fā)展的主要方向之一。目前制約純電動汽車發(fā)展的主要問題在于其續(xù)駛里程還不能完全滿足實際的行駛需求。為了解決這一問題，目前絕大多數(shù)研究都在致力于解決電池的技術(shù)瓶頸問題，雖然電池技術(shù)已經(jīng)取得了一些突破，但是依然存在許多應(yīng)用難點。

針對純電動汽車?yán)m(xù)駛里程不足這一問題，本文提出了一種全新的研究思路——提高純電動汽車動力傳動系統(tǒng)的效率。目前絕大多數(shù)純電動汽車的傳動系統(tǒng)均為單機減速裝置，雖然電機本身的特性能夠滿足基本的行駛需求，但是由于車輛行駛的工況太復(fù)雜多變，因此配備單機減速裝置的純電動汽車存在電機功率利用率不高，導(dǎo)致能量損耗過大。為純電動汽車配備一個多檔變速器可以更好的滿足實際多變的復(fù)雜工況，提高電機使用效率。本文以某自主品牌純電動客車為研究對象，提出了一種純電動客車帶自動機械式變速器的傳動系統(tǒng)模型，重點探討了純電動客車自動機械式變速器參數(shù)的匹配方法，并對其適配性進(jìn)行了整車校核。

1 純電動客車自動機械式變速器結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)模型

1.1 純電動客車自動機械式變速器結(jié)構(gòu)特點

本文研究的純電動客車自動機械式變速器主要由變速器本體、控制單元、傳感器及執(zhí)行器組成，其完成自動變速的執(zhí)行機構(gòu)為氣動形式，變速器的三維模型如圖1所示。

圖1 純電動客車自動機械式變速器三維模型

純電動客車使用的自動機械式變速器與傳統(tǒng)發(fā)動機汽車結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，由于電機具有快速精確調(diào)速的能力，且電機具有自由模式，因此純電動客車配備的機械自動式變速器具有以下特點：

第一，取消了離合器，電機輸出軸與變速器輸入軸直接通過花鍵連接。電機具有低速高扭的特性，在起步時不需要離合器就能順利起步；同時電機具有精準(zhǔn)調(diào)速和自由模式，在變速器換檔時可以精確匹配目標(biāo)轉(zhuǎn)速，而且電機在換檔瞬間可以切換成自由模式(即無扭矩輸出)，因此在不需要離合器的情況下也能平順換檔。鑒于以上兩個方面的原因，取消了純電動客車上自動機械式變速器的離合器，這樣也起到了簡化結(jié)構(gòu)、節(jié)約成本的效果。

第二，用嚙合套代替了同步器。由于純電動客車的電機和變速器直接通過花鍵連接，變速器輸入與輸出端的負(fù)荷均較大，導(dǎo)致同步器壓力較大，容易造成同步器損壞。而電機具有快速且精準(zhǔn)的調(diào)速能力，在換檔瞬間的轉(zhuǎn)速差很小，因此可以取消同步器，改用結(jié)構(gòu)簡單的嚙合套作為變速齒輪的嚙合裝置，在簡化結(jié)構(gòu)降低成本的同時也提高了變速器的可靠性。

1.2 純電動客車動力傳動系統(tǒng)模型

純電動客車動力傳動系統(tǒng)的模型由機械部分和電控部分組成，其具體模型如圖2所示。機械部分包括動力電池組、驅(qū)動電機、自動機械式自動變速器、傳動軸、中央減速器和車輪。動力電池組為整車提供能源，通過高壓電纜與驅(qū)動電機相連；驅(qū)動電機為整車提供動力，與自動機械式自動變速器相連；自動機械式變速器起變速作用，與驅(qū)動軸相連；驅(qū)動軸將動力經(jīng)中央減速器傳遞給車輪，從而驅(qū)動車輛[1]。

電控部分包括車輛控制單元(VCU)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、電機控制單元(MCU)以及變速器控制單元(VCU)，各控制單元分別控制對應(yīng)的機械部分，彼此之間通過CAN總線共享和傳遞信號，實現(xiàn)自動換檔功能[2]。

圖2 帶AMT的純電動客車動力傳動系統(tǒng)模型

2 純電動客車自動機械式變速器參數(shù)匹配

2.1 純電動客車自動變速器參數(shù)匹配方法分析

在電機參數(shù)一定的情況下，要為純電動客車匹配一個合適的自動機械式變速器，需在滿足純電動客車整車性能指標(biāo)的前提下，盡量提高電機效率、增加續(xù)駛里程[3]。因此變速器參數(shù)匹配的核心是變速器傳動比的選取，其直接決定了車輛行駛性能能否得到滿足，電機能否盡量工作在高效率區(qū)間[4]。純電動客車自動變速器傳動比的確定需通過以下步驟：確定檔位數(shù)、確定傳動比范圍、優(yōu)化傳動比。

2.1.1 面臨的問題

傳統(tǒng)汽車變速器的匹配方法比較成熟，在檔位數(shù)及傳動比范圍確認(rèn)方面，純電動客車使用的方法與傳統(tǒng)汽車區(qū)別不大，只需將純電動客車的動力參數(shù)帶入即可。但是純電動客車由于動力類型與傳統(tǒng)汽車不同，其傳動比優(yōu)化存在以下問題：

第一，純電動客車傳動比優(yōu)化方向的選取。傳統(tǒng)汽車傳動比優(yōu)化有三個優(yōu)化方向：一是在滿足經(jīng)濟性能基本指標(biāo)的前提下盡量提高動力性能；二是在滿足動力性能基本指標(biāo)的前提下盡量提高經(jīng)濟性能；三是盡量兼顧經(jīng)濟性能與動力性能的折中優(yōu)化方法。純電動客車傳動比優(yōu)化應(yīng)采取何種優(yōu)化方向是本研究面臨的第一個問題。

第二，純電動客車傳動比優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的選取。純電動客車動力性能評價指標(biāo)與傳統(tǒng)汽車區(qū)別不大，但是經(jīng)濟性能評價指標(biāo)有顯著區(qū)別，若以經(jīng)濟性能為優(yōu)化目標(biāo)，那么目標(biāo)函數(shù)的選取和確定很難照搬傳統(tǒng)汽車，需要重新分析和確定。

第三，純電動客車傳動比優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的計算。純電動客車的能量來源為動力電池組，動力來源是驅(qū)動電機，這兩者顯著區(qū)別于傳統(tǒng)車的燃油和發(fā)動機，因此在確定了目標(biāo)函數(shù)之后如何計算目標(biāo)函數(shù)也是需要解決的重要問題。

2.1.2 解決方案

第一，針對如何選取純電動客車傳動比優(yōu)化方向的問題，由于研究對象為純電動客車，對動力性能需求不高，研究主要目的在于提高車輛的續(xù)駛里程，因此選取在滿足基本動力性能的前提下盡量提高經(jīng)濟性能的優(yōu)化方向。

第二，針對如何確定純電動客車傳動比優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的問題，傳統(tǒng)汽車以盡量提高經(jīng)濟性能為優(yōu)化方向時一般選取百公里油耗為優(yōu)化目標(biāo)，但是純電動客車無法使用此目標(biāo)函數(shù)。純電動客車通常使用總續(xù)駛里程這一指標(biāo)為其經(jīng)濟性能指標(biāo)，因此選取在某循環(huán)工況下的續(xù)駛里程為傳動比優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

第三，針對如何計算目標(biāo)函數(shù)的問題，在以某循環(huán)工況下的續(xù)駛里程為目標(biāo)函數(shù)的前提下，要計算此目標(biāo)函數(shù)，主要需解決兩個問題：一是純電動客車具有的總能量，因其能量由動力電池組提供，因此必須得到電池容量、電壓、電池效率等參數(shù)；二是純電動客車在循環(huán)工況下的能量消耗量，其與整車功率、電機效率等參數(shù)有關(guān)。

2.2 純電動客車自動變速器參數(shù)的匹配

2.2.1 純電動客車整車性能指標(biāo)及基本參數(shù)

本文的研究對象為某國產(chǎn)公司18噸級大客車，整車性能指標(biāo)如表1所示，整車基本參數(shù)如表2所示，純電動客車配備的驅(qū)動電機的外特性如圖3所示，計算過程中涉及到的其它參數(shù)見表3。

表1 純電動客車整車性能指標(biāo)

表2 純電動客車整車基本參數(shù)

圖3 純電動客車配備的驅(qū)動電機外特性

2.2.2 純電動客車自動機械式變速器檔位數(shù)的確定

純電動客車自動機械式變速器檔位數(shù)的選取對其動力性影響很大。當(dāng)檔位數(shù)為2時，為滿足純電動客車動力性要求，得出的功率平衡圖如圖4(a)所示。由圖4(a)可知，受制于電機最高轉(zhuǎn)速，一檔與二檔的功率曲線沒有交點，在變速器進(jìn)行最佳動力性換檔時只能在B點升檔，此時二檔對應(yīng)的功率為C點功率，C點功率明顯小于B點，因此換檔后會出現(xiàn)明顯的動力下降，影響整車動力性能，同時造成換檔品質(zhì)下降。為了解決這一問題，必須在圖4(a)所示的基礎(chǔ)上至少增加一個檔位，以彌補功率損失，以保證相鄰兩個檔位間均有功率重合點，如圖4(b)所示，由此確定檔位數(shù)為3檔及以上為佳。

表3 計算過程中涉及到的其它參數(shù)

圖4 純電動客車各檔位功率平衡圖

通常來說，檔位數(shù)越多，電機工作在高效區(qū)的可能性越大，即電機的效率越高，純電動客車的經(jīng)濟性能越好。但是過多的檔位會增加制造成本，增加整車質(zhì)量，同時由于驅(qū)動電機具有優(yōu)秀的調(diào)速能力和低速高扭能力，因此要求純電動客車自動機械式變速器的檔位數(shù)不宜過多，一般不超過4個檔位。

通過以上分析，確定本文研究的純電動客車配備的自動機械式變速器為3個檔位。

2.2.3 純電動客車自動機械式變速器傳動比的范圍

確定純電動客車自動機械式變速器的傳動比范圍即確定其最大傳動比及最小傳動比，其依據(jù)是要滿足純電動客車的動力性能指標(biāo)(最大爬坡度、最高車速、加速時間)。最大傳動比的確定依據(jù)是最大爬坡度，最小傳動比的依據(jù)是最高車速[5]。

純電動客車在爬上最大爬坡度時必須使用最低檔位，由此確認(rèn)最大傳動比，根據(jù)汽車行駛方程式變形可得到最大傳動比計算公式，如式(1)所示。

(1)

式中：r為輪胎滾動半徑，單位m；Tmax為電機最大扭矩，單位N·m；io為主減速比；A為整車迎風(fēng)面積，單位m2；imax為最大爬坡度，即變速器最大傳動比；ηT為傳動系效率，這里取92%；ua為爬坡時車速，單位km/h；g為重力加速度；i為道路坡度；CD為空氣阻力系數(shù)；f為滾動阻力系數(shù)。

將純電動客車整車參數(shù)帶入公式可得最大傳動比應(yīng)不小于2.89。

當(dāng)電機轉(zhuǎn)速最大、自動機械式變速器傳動比最小時，純電動客車的車速最高，以此為依據(jù)計算最小傳動比，其計算公式為：

(2)

式中:umax為純電動客車最高車速，km/h；nmax為電機最大轉(zhuǎn)速，r/min。

將純電動客車整車參數(shù)帶入公式可得最小傳動比應(yīng)不大于1.41。

2.2.4 優(yōu)化純電動客車自動機械式變速器傳動比

在確定了檔位數(shù)和傳動比范圍的基礎(chǔ)上，要對傳動比進(jìn)行最終優(yōu)化，以確定出每個檔位的最終傳動比。本文在保證動力性能前提下，以純電動客車經(jīng)濟性能最優(yōu)為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行傳動比優(yōu)化，而衡量純電動客車經(jīng)濟性的指標(biāo)是續(xù)駛里程，因此要以續(xù)駛里程為目標(biāo)函數(shù)，以動力性能指標(biāo)為約束條件，來完成傳動比的優(yōu)化[6]。約束條件中的動力性能包括最大爬坡度、最高車速和加速時間，由上文分析可知最大爬坡度對應(yīng)最大傳動比范圍，最高車速對應(yīng)最小傳動比范圍，因此最終的約束條件可以確定為最大傳動比、最小傳動比及加速時間。

1)首先確定目標(biāo)函數(shù)的求解公式為：

(3)

式中:L為續(xù)駛里程；Cr為動力電池容量；V為動力電池電壓；η為電池效率；S為一個工況的行駛距離；W為純電動客車在一個工況下消耗的能量。

2)計算純電動客車一個工況下的能量消耗W

由上述分析可知，要求解續(xù)駛里程必須先求出純電動客車在一個工況下的能量消耗量W，求解W時通常將其分為兩個部分進(jìn)行求解：純電動客車加速行駛時的能量消耗量及純電動客車勻速行駛時的能量消耗量[7]。即純電動客車在一個工況循環(huán)下的總能量消耗為：

W=Wa+Wd

(4)

式中:Wa為純電動客車一個工況下加速行駛時的能量消耗量，Wd為純電動客車一個工況下勻速行駛時的能量消耗量。

3)計算純電動客車加速行駛時的能量消耗量Wa

將所有勻加速時間段的能量消耗量加起來即為一個工況下總的加速行駛時的能量消耗量，即：

(5)

式(5)中Wi為任意一個勻加速時間段的純電動客車能量消耗量，其計算方法為：

(6)

式(6)中Pi為當(dāng)車速為ui的時刻純電動客車消耗的功率，其計算式為：

(7)

式(7)中δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；a為車速為ui時的純電動客車的加速度，其值為a=(u2-u1)/t；ηi為車速為ui時的驅(qū)動電機效率，其值的大小需要查電機效率特性曲線(如圖5所示)。

圖5 電機效率曲線

由電機效率特性圖5可知，要求車速為ui時的電機效率ηi，必須求出此時刻的電機轉(zhuǎn)矩Ti和轉(zhuǎn)速ni，其計算方法為：

(8)

(9)

其中igi為變速器傳動比。根據(jù)電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速查電機效率曲線，即可得到此時的電機效率。

將算出的Pi及ηi值帶入式(6)即可求出任意一個勻加速時間段的純電動客車能量消耗量Wi，最后利用式(5)求出一個工況下總的加速行駛時的能量消耗量。

4)計算純電動客車勻速行駛時的能量消耗量Wd

將所有勻速時間段的能量消耗量加起來，即為一個工況下總的勻速行駛時的能量消耗量，即：

(10)

式(10)中Wj為任意一個勻速時間段的純電動客車能量消耗量，其計算方法為：

Wj=Pj/ηj*Δtj

(11)

式(11)中Pj為當(dāng)車速為uj的時刻純電動客車消耗的功率，ηj為車速為uj時的驅(qū)動電機效率，二者的計算方法與上文一樣，將其帶入式(11)可得任意一個勻速時間段的純電動客車能量消耗量Wj，再將Wj帶入式(10)可算出一個工況下總的勻速行駛時的能量消耗量。

5)確定約束條件

由上述計算可知，純電動客車的續(xù)駛里程與一個工況下的能量總消耗成反比，一個工況下能量消耗越少則續(xù)駛里程越大。而一個工況下的能量消耗最終可表示成與變速器傳動比相關(guān)的函數(shù)，因此在整車動力性能指標(biāo)的約束下進(jìn)行傳動比迭代，即可得出使得續(xù)駛里程最優(yōu)的變速器傳動比。

最大爬坡度及最高車速的約束，即最大傳動比、最小傳動比的約束為：

imax>2.91,imin<1.42

加速時間約束為：

(13)

上式中u1為一檔升二檔車速，u2為二檔升三檔車速，ua=50km/h，tn≤25s。Iw為車輪轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；If為電機轉(zhuǎn)子和電機軸轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2。

6)確定最終各檔位傳動比

通過上述分析可知，最終確定的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為純電動客車的續(xù)駛里程L，約束條件為最大傳動比、最小傳動比及加速時間。

利用matlab軟件計算上文得出的目標(biāo)函數(shù)以及約束條件，并結(jié)合實際情況，最終得出為本文研究的純電動客車配備的自動機械式變速器各檔位傳動比分別為1、1.89和4.06。

3 優(yōu)化結(jié)果校核

根據(jù)上文計算的變速器傳動比校核整車性能指標(biāo)是否滿足要求，并對比配備自動機械式變速器純電動客車與沒有配備自動機械式變速器純電動客車的續(xù)駛里程。

3.1 整車性能校核

由表1可知，整車動力性能包含最大爬坡度、最高車速和加速時間三個方面，下面分別計算這三個參數(shù)是否滿足要求。

加速時間的計算公式如式(12)所示，最高車速的計算公式如式(14)所示，最大爬坡度的計算公式如式(15)所示。

(14)

(15)

帶入數(shù)據(jù)求解得到的純電動汽車各檔位的功率平衡圖如圖6所示，加速仿真圖如圖7所示。

圖6 純電動汽車峰值功率平衡圖

圖7 加速仿真圖

滿載情況下：最高車速為86.79km/h，最大爬坡度為24.56%(1檔5km/h)，加速時間為15.75s(0～50km/h)。

空載情況下：最高車速為86.79km/h，最大爬坡度為24.56%(1檔5km/h)，加速時間為15.75s(0～50km/h)。

通過以上分析可知，匹配的三檔自動機械式變速器滿足整車性能要求。

3.2 續(xù)駛里程優(yōu)化效果對比

沒有匹配自動機械式變速器之前：將原車的單級減速器總傳動比為22.284，帶入式(3)計算得出在ECE循環(huán)工況下的續(xù)駛里程為185km。

匹配自動機械式變速器之后：將自動機械式變速器的傳動比1、1.89和4.06及主減傳動比5.571，帶入式(3)計算得出在ECE循環(huán)工況下的續(xù)駛里程為205km。

通過上述計算可知，在整車其它參數(shù)不變的情況下，匹配了自動機械式自動變速器后純電動客車的續(xù)駛里程有了較大提升，說明本文的方法可行。

4 結(jié)論

本文提出了一種為了提高純電動客車?yán)m(xù)駛里程而為其配備自動機械式變速器的方法。介紹了純電動客車用自動變速器的結(jié)構(gòu)特點，即取消了離合器和同步器。提出了一種帶多檔變速器的純電動客車傳動系統(tǒng)的模型。提出了一種以純電動客車?yán)m(xù)駛里程最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，以整車性能要求為約束條件的自動機械式變速器的匹配方法，為純電動客車配備了一臺三檔自動機械式變速器，其各檔傳動比分別為1、1.89和4.06。最后對匹配結(jié)果經(jīng)行了校核及分析，結(jié)論表明為純電動客車匹配一個自動機械式變速器對提高純電動客車?yán)m(xù)駛里程具有積極意義。