行星齒輪兩檔變速器的純電動汽車性能仿真

王天利,張 鍵,張宏雙,熊金勝

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001）

行星齒輪兩檔變速器的純電動汽車性能仿真

王天利,張 鍵,張宏雙,熊金勝

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001）

由于電動汽車采用固定速比減速器，驅動電機很難同時滿足車輛的爬坡性能和最高車速要求，因此設計開發了行星齒輪兩檔變速器。利用ADVISOR軟件建立行星齒輪兩檔變速器的純電動汽車仿真模型，然后選擇CYC_ECE_ EUDC_LOW循環工況，對純電動汽車性能進行仿真。結果表明：行星齒輪兩檔變速器的純電動汽車能夠滿足我國純電動汽車動力性要求，且電機大部分工作在高效率區域，為電動汽車的設計和參數選取提供理論依據。

行星齒輪；純電動汽車；兩檔變速器；ADVISOR軟件；仿真

0 引 言

為解決能源的緊缺和環境污染的加劇，電動汽車的研發已經逐步被人們重視。電動汽車具有低排放、綜合利用能源的優勢，能夠解決能源危機和環境污染等問題，將成為21世紀重要的新型綠色環保交通工具[1]。電動汽車使用驅動電機取代發動機，由于驅動電機具有良好的調速性能，通過合理控制使用固定速比減速器基本能滿足電動汽車行駛要求，但對電機的性能提出很高的要求[2]。關于電動汽車傳動系統，國外研究的重點在混合動力汽車動力耦合方面，如德國的達姆施塔特技術大學把交流感應電機和兩檔變速器組成驅動系統，仿真表明該系統具有潛在優勢，同時臺架試驗也證明該系統可以改善純電動汽車的性能[3]。然而國內研究的重點在傳動系統參數匹配和速比優化方面，如上海交通大學，利用遺傳算法對電動汽車固定速比減速器的速比進行了優化，并通過加權方式提出了一個綜合的適應度函數，包括動力性和經濟等方面[4]。本文對一種純電動汽車用行星齒輪兩檔變速器研究，利用ADVISOR仿真軟件對該變速器的電動汽車的整車性能進行建模并仿真研究，為以后電動汽車的設計和參數選取提供了理論的依據。

1 兩檔變速器的工作原理

行星齒輪兩檔變速器原理如圖1所示。

圖1 行星齒輪兩檔變速器的原理圖

低速檔：當雙離合器中左側離合器B1接合而右側離合器B2分離時，齒圈6與箱體5固聯，太陽輪作輸入軸，行星架作輸出軸，單個行星排實現減速同向運動，得到低速檔。

高速檔：當雙離合器中右側離合器B2接合而左側離合器B1分離時，齒圈6與行星架3固聯，單個行星排任何兩個件固聯，整個行星排整體傳動，傳動效率比較高，得到高速檔即為直接檔。

空檔：雙離合器中兩個離合器都不接合時，任何兩個件都沒有發生固聯，所有元件都不受約束，可以自由轉動，則行星齒輪機構失去傳動作用，此種狀態相當于空檔。電機帶動外齒圈6轉動，動力輸出中斷。

倒檔：（利用電機反轉）當雙離合器中左側離合器B1接合而右側離合器B2分離時，齒圈6與箱體5固聯，太陽輪作輸入軸，行星架作輸出軸，單個行星排實現減速同向運動，得到倒檔。

2 兩檔變速器速比的選擇

低速檔在滿足汽車爬坡性能的同時，要電機在低速段時盡可能運行在高效率區；高速檔在滿足汽車的最高車速的同時，盡量降低電機的輸入軸轉速，同時也要滿足電機在高速段時盡可能運行在高效區域[5]。

根據單個行星排的特點，高速檔為直接檔，則主減速比由電動汽車的最高車速確定，即有[6]：

式中：i0―――主減速比；

r―――輪胎滾動半徑；

nmax―――電機最高轉速；

umax―――最高車速。

本文在寫法上跟《童年的味道》有異曲同工之妙，小朋友們可以自行比較、學習。小朋友們還可以想一想：小作者的童年跟她爸爸的童年有什么不一樣？

變速器的低速檔速比由電動汽車的最大爬坡度確定，則有：

式中：ig1―――低速檔速比；

Famax―――最大爬坡度時的行駛阻力；

ηT―――機械傳動效率；

Tamax―――電機輸出的最大轉矩；

M―――整車質量；

f―――滾動摩擦系數；

圖2為電機效率map圖，表1為驅動電機參數。通過對電機效率特性、變速器的輸入轉速及對整車性能的綜合分析，最終選定的低速檔速比為4，高速檔速比為1，主減速比為3.5。在換檔控制策略中，換檔點的選擇對整車的動力性及經濟性都有較大的影響，動力模式下的換檔點是電機轉速在換檔前、后最大輸出總功率相等的任何轉速下；經濟模式下的換檔點則保證電機在等功率模式下盡可能運行在高效區域[7]。

圖2 電機效率map圖

表1 驅動電機參數

3 整車動力性能仿真

3.1 仿真模型

圖3 整車仿真模型

ADVISOR軟件采用的仿真思路是以向后仿真為主兼向前仿真[8]。在此思路上建立基于行星齒輪兩檔變速器的純電動汽車仿真模型，如圖3所示。該模型包括電池、電機、行星齒輪兩檔變速器、車輪/軸和車輛等模塊。大部分模塊有兩個輸入和兩個輸出接口，傳遞需求的轉速和扭矩，同時傳遞實際的轉速和扭矩。

3.2 整車主要參數

所研究的電動汽車以捷達轎車為研究對象進行仿真。在進行ADVISOR仿真過程中，首先要定義整車參數，整車主要參數如表2所示。

表2 整車主要參數

3.3 仿真工況的選擇

圖4 CYC_ECE_EUDC_LOW循環工況

在汽車性能進行測試時，需要選擇汽車行駛循環工況進行模擬試驗，常使用的循環工況有：中國的貨車六工況、客車的城市四工況，日本10-15工況，歐洲典型駕駛循環ECE、CYC_ECE_EUDC循環工況、CYC_ECE_EUDC_LOW循環工況，美國城市駕駛循環UDDS等[9]。

圖5 仿真結果

圖6 驅動電機的實際工作點

捷達轎車為城市用車，因此仿真以CYC_ECE_ EUDC_LOW循環工況為基礎。循環工況時間為1224s，行駛里程為10.59km，最大行駛速度為90km/h，平均速度為 31.11km/h，最大加速度為1.06 m/s2，最大減速度為-1.39 m/s2，行駛過程中共計停車13次[10]，如圖4所示。

3.4 仿真結果與分析

圖5為兩檔變速器的純電動汽車的仿真結果，自上而下分別為整車在路面工況行駛的車速、電機輸出的轉速、電機輸出的扭矩和變速器的速比。從圖5中的仿真結果圖中可知，純電動汽車驅動系統所匹配的參數滿足所選的工況，行駛安全穩定。當車速達到循環道路最高車速90km/h時，電機輸出的轉速大約為311.54 rad/s，電機輸出的最大扭矩為91.5 N·m，純電動汽車的電機輸出的功率和扭矩基本能夠滿足整車行駛動力性需求，變速器在低速檔時電機輸出的轉矩比較小，而高速檔時電機輸出的轉矩相對高一些。

其他仿真結果見表3。

表3 其他仿真結果

圖6為純電動汽車在循環工況下行駛時電機效率圖，電機的工作效率點大部分高于0.85，電機主要在高效率區域內運行，因此所選驅動電機的運行效率是較合理的。

4 結束語

本文采用行星齒輪兩檔變速器的電動汽車傳動系統，降低了對驅動電機的性能要求。對電動汽車傳動系統進行參數匹配，利用ADVISOR軟件對電動汽車的性能仿真分析，結果表明能夠滿足我國電動汽車的動力性要求，且驅動電機的工作效率點大部分運行在高效率區域內，為以后電動汽車的設計和參數選取提供理論依據。

[1]姬芬竹，高峰，周榮.純電動汽車傳動系參數匹配的研究[J].汽車科技，2005（6）：22-24.

[2]楊易，江清華，周兵，等.純電動汽車最佳動力性換檔規律[J].汽車技術，2011（3）：1-4.

[3]Eberleh B，Hartkopf T H.A high speed induction machine with two speed transmission as drive for electric vehicles[C]∥SPEEDAM，2006.

[4]朱正禮，殷承良，張建武.基于遺傳算法的純電動轎車動力總成參數優化[J].上海交通大學學報，2004，38（11）：1907-1912.

[5]陸中華.基于純電動轎車的兩檔雙離合器式自動變速器控制技術研究[D].長春：吉林大學，2010（12）：9-10.

[6]Chang L C.Recent developments of electric vehicles and their Propulsion systems[J].IEEE Aerospace and Electric System Magazine，1993，8（12）：3-6.

[7]黃偉，王耀南，馮坤，等.純電動汽車兩檔自動變速器研究開發[J].汽車科技，2011（10）：2-3.

[8]劉磊，剛憲約，王樹鳳，等.汽車仿真軟件ADVISOR[J].農業裝備與車輛工程，2007（2）：41-42.

[9]Markel T，Brooker A，Hendricks T，et al.ADVISOR：a sysetms analysis tool for advanced vehide modeling[J]. Journal of Power Sources，2002：255-266.

[10]王興，秦東晨，裴東杰.電動汽車動力性能仿真分析[J].機械設計與制造，2102（12）：2-3.

Simulation of electric vehicle’s performance with planetary gear two-speed transmission

WANG Tian-li，ZHANG Jian，ZHANG Hong-shuang，XIONG Jin-sheng
（Institute of Automotive and Transportation Engineering，Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001，China）

Since higher request was put forward to the motor of the electric vehicle with a fixed speed ratio reducer and it is difficult to meet the performance requirements of gradeability and maximum speed，planetary gear two-speed transmission was designed and developed.By use of ADVISOR software，a simulation model of the electric vehicle is established with planetary gear two-speed transmission and selecting the CYC_ECE_EUDC_LOW cycle，and the electric vehicle’s performance was simulated.Simulation results show electric vehicles with planetary gear two-speed transmission can meet requirements for electric vehicle’s dynamic performance of the country. Furthermore，the motor can mainly work in the high efficiency region.These conclusions provide a theoretical basis for the design and parameter selection of electric vehicle.

planetary gear；electric vehicle；two-speed transmission；ADVISOR；simulation

TH16；U469.72；U469.212.4；TP391.9

：A

：1674-5124（2014)03-0125-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.033

2013-06-28；

：2013-08-21

王天利（1957-），男，遼寧錦州市人，教授，碩士，研究方向為汽車測試技術、汽車動力學。