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(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)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(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

由于電動汽車采用固定速比減速器，驅(qū)動電機(jī)很難同時滿足車輛的爬坡性能和最高車速要求，因此設(shè)計(jì)開發(fā)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(huán)工況，對純電動汽車性能進(jìn)行仿真。結(jié)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(jī)大部分工作在高效率區(qū)域，為電動汽車的設(shè)計(jì)和參數(shù)選取提供理論依據(jù)。

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(huán)境污染的加劇，電動汽車的研發(fā)已經(jīng)逐步被人們重視。電動汽車具有低排放、綜合利用能源的優(yōu)勢，能夠解決能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題，將成為21世紀(jì)重要的新型綠色環(huán)保交通工具[1]。電動汽車使用驅(qū)動電機(jī)取代發(fā)動機(jī)，由于驅(qū)動電機(jī)具有良好的調(diào)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(jī)的性能提出很高的要求[2]。關(guān)于電動汽車傳動系統(tǒng)，國外研究的重點(diǎn)在混合動力汽車動力耦合方面，如德國的達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)把交流感應(yīng)電機(jī)和兩檔變速器組成驅(qū)動系統(tǒng)，仿真表明該系統(tǒng)具有潛在優(yōu)勢，同時臺架試驗(yàn)也證明該系統(tǒng)可以改善純電動汽車的性能[3]。然而國內(nèi)研究的重點(diǎn)在傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配和速比優(yōu)化方面，如上海交通大學(xué)，利用遺傳算法對電動汽車固定速比減速器的速比進(jìn)行了優(yōu)化，并通過加權(quán)方式提出了一個綜合的適應(yīng)度函數(shù)，包括動力性和經(jīng)濟(jì)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(jìn)行建模并仿真研究，為以后電動汽車的設(shè)計(jì)和參數(shù)選取提供了理論的依據(jù)。

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(dāng)雙離合器中左側(cè)離合器B1接合而右側(cè)離合器B2分離時，齒圈6與箱體5固聯(lián)，太陽輪作輸入軸，行星架作輸出軸，單個行星排實(shí)現(xiàn)減速同向運(yùn)動，得到低速檔。

高速檔：當(dāng)雙離合器中右側(cè)離合器B2接合而左側(cè)離合器B1分離時，齒圈6與行星架3固聯(lián)，單個行星排任何兩個件固聯(lián)，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(fā)生固聯(lián)，所有元件都不受約束，可以自由轉(zhuǎn)動，則行星齒輪機(jī)構(gòu)失去傳動作用，此種狀態(tài)相當(dāng)于空檔。電機(jī)帶動外齒圈6轉(zhuǎn)動，動力輸出中斷。

倒檔：（利用電機(jī)反轉(zhuǎn)）當(dāng)雙離合器中左側(cè)離合器B1接合而右側(cè)離合器B2分離時，齒圈6與箱體5固聯(lián)，太陽輪作輸入軸，行星架作輸出軸，單個行星排實(shí)現(xiàn)減速同向運(yùn)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(jī)在低速段時盡可能運(yùn)行在高效率區(qū)；高速檔在滿足汽車的最高車速的同時，盡量降低電機(jī)的輸入軸轉(zhuǎn)速，同時也要滿足電機(jī)在高速段時盡可能運(yùn)行在高效區(qū)域[5]。

根據(jù)單個行星排的特點(diǎn)，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(jī)最高轉(zhuǎn)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(xué)習(xí)。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(jī)械傳動效率；

Tamax―――電機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩；

M―――整車質(zhì)量；

f―――滾動摩擦系數(shù)；

圖2為電機(jī)效率map圖，表1為驅(qū)動電機(jī)參數(shù)。通過對電機(jī)效率特性、變速器的輸入轉(zhuǎn)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(diǎn)的選擇對整車的動力性及經(jīng)濟(jì)性都有較大的影響，動力模式下的換檔點(diǎn)是電機(jī)轉(zhuǎn)速在換檔前、后最大輸出總功率相等的任何轉(zhuǎn)速下；經(jīng)濟(jì)模式下的換檔點(diǎn)則保證電機(jī)在等功率模式下盡可能運(yùn)行在高效區(qū)域[7]。

圖2 電機(jī)效率map圖

表1 驅(qū)動電機(jī)參數(shù)

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(jī)、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(zhuǎn)速和扭矩，同時傳遞實(shí)際的轉(zhuǎn)速和扭矩。

3.2 整車主要參數(shù)

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

表2 整車主要參數(shù)

3.3 仿真工況的選擇

圖4 CYC_ECE_EUDC_LOW循環(huán)工況

在汽車性能進(jìn)行測試時，需要選擇汽車行駛循環(huán)工況進(jìn)行模擬試驗(yàn)，常使用的循環(huán)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(huán)ECE、CYC_ECE_EUDC循環(huán)工況、CYC_ECE_EUDC_LOW循環(huán)工況，美國城市駕駛循環(huán)UDDS等[9]。

圖5 仿真結(jié)果

圖6 驅(qū)動電機(jī)的實(shí)際工作點(diǎn)

捷達(dá)轎車為城市用車，因此仿真以CYC_ECE_ EUDC_LOW循環(huán)工況為基礎(chǔ)。循環(huán)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(jì)停車13次[10]，如圖4所示。

3.4 仿真結(jié)果與分析

圖5為兩檔變速器的純電動汽車的仿真結(jié)果，自上而下分別為整車在路面工況行駛的車速、電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速、電機(jī)輸出的扭矩和變速器的速比。從圖5中的仿真結(jié)果圖中可知，純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)所匹配的參數(shù)滿足所選的工況，行駛安全穩(wěn)定。當(dāng)車速達(dá)到循環(huán)道路最高車速90km/h時，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速大約為311.54 rad/s，電機(jī)輸出的最大扭矩為91.5 N·m，純電動汽車的電機(jī)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(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩比較小，而高速檔時電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩相對高一些。

其他仿真結(jié)果見表3。

表3 其他仿真結(jié)果

圖6為純電動汽車在循環(huán)工況下行駛時電機(jī)效率圖，電機(jī)的工作效率點(diǎn)大部分高于0.85，電機(jī)主要在高效率區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，因此所選驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)行效率是較合理的。

4 結(jié)束語

本文采用行星齒輪兩檔變速器的電動汽車傳動系統(tǒng)，降低了對驅(qū)動電機(jī)的性能要求。對電動汽車傳動系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配，利用ADVISOR軟件對電動汽車的性能仿真分析，結(jié)果表明能夠滿足我國電動汽車的動力性要求，且驅(qū)動電機(jī)的工作效率點(diǎn)大部分運(yùn)行在高效率區(qū)域內(nèi)，為以后電動汽車的設(shè)計(jì)和參數(shù)選取提供理論依據(jù)。

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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?yàn)槠嚋y試技術(shù)、汽車動力學(xué)。