純電動汽車兩擋自動變速器傳動比優化及換擋品質研究

程森+陸曉平+馬卓

摘 要：汽車傳動系統中，變速器作為關鍵構件，直接影響整車性能。為了使電動汽車驅動電機的效率得到提升，對固定速比電動汽車進行改動，采用兩擋傳動比方案，促使驅動電機工作效率提高，進而使整車動力性能及經濟性能得到提升。主要對純電動汽車兩擋自動變速器傳動比優化及換擋品質進行研究。

關鍵詞：純電動汽車；變速器；傳統比；換擋品質

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.046

1 整車基本參數

基于傳統微型車對電動汽車進行研究，保留原車懸掛系統，動力電池采用錳酸鋰電池，驅動電機采用永磁同步電機。綜合研究后，整車參數為：滿載質量1 350 m/kg，機械傳動效率0.9，輪胎滾動半徑0.258 r/min，迎風面積1.868 A/m2，空氣阻力系數0.31.

根據國標GB/T 28382—2012標準及市場定位，整車動力性指標如下：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 驅動電機參數確定

對電機進行選擇時，要確保電機最大限度地工作在高效區，同時也要考慮電池組的峰值放電倍率。

2.1 驅動電機功率在最高車速時計算

以最高車速在水平道路上行駛，對加速阻力忽略不計，設風速為0，那么電機的輸出功率即為：

（1）

式（1）中：P1為最高車速時驅動功率；ηt為機械傳動效率；mg為整車滿載質量；f（u）為滾動阻力系數；umax為最大車速；Cd為空氣阻力系數；A為迎風面積。

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）

按照實際需求及國際標準，選擇100 km/h車速，根據式（2），計算結果為0.015 24，代入式（1），計算結果為P1=13.2 kW。如果車速符合國家標準規定的不低于85 km/h，那么電機的功率還可以選擇更小的。

2.2 驅動電機功率在最大爬坡時計算

對爬坡行駛時所需要的功率進行計算，忽略空氣阻力功率與加速阻力功率，那么電機輸出功率即為：

（3）

式（3）中：P2為最大爬坡度行駛功率；i為爬坡度；ua為爬坡時最低車速。

根據式（2）可計算出f（u）=0.012 7，根據式（3）可計算出P2=26 kW。

2.3 加速性能計算驅動電機峰值功率

假設風速為0，在水平道路上，電動汽車輸出的最大功率位于整車加速過程的末時刻，則加速過程中需要的最大功率為：

（4）

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

根據GB/T 28382—2012國際標準可知，ta取值為10 s，根據式（2）和式（4）可計算出P3=21.3 kW。根據式（1）計算，確定電機額定功率為15 kW，由式（3）和式（4）可知，電機峰值功率選定為30 kW。為了滿足成本因素與實際需求，最終選擇電機額定功率15 kW，峰值功率30 kW。

3 傳動系傳統比確定

在行駛條件和電機特性不發生改變的情況下，對比以下幾種傳動比的變速器使用動力性能，實現對傳動比的優化，使換擋品質得到提高。

3.1 單一傳動比動力性能

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

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

由圖1可知，90 km/h是能夠達到的最高車速，而最大爬坡坡度達不到20%，只能接近。所以，需要驅動電機輸出更高的功率才能實現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 五擋變速器傳動比的動力性能

采用15 kW的額定功率時，五擋變速器的最大傳動比與最小傳動比分別為3.538和0.78，主減速傳動比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到的最高車速，最大爬坡坡度達到20%以上，動力性能得到有效滿足。

如果行車速度只需要滿足85 km/h的最低標準車速，采用11 kW的額定功率電機，則五擋變速器的最大傳動比與最小傳動比分別為5.494和1.033，主減速傳動比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到20%.兩擋時，電池放電功率需求為30 kW，放電倍率為1.28；而采用五擋時，電池只需要提供15 kW的放電功率就可以滿足動力性能，放電倍率為0.64.所以，使用五擋變速器時，對電池性能的要求大幅降低。

3.4 3類變速器對比

根據以上分析，電機如果選擇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。綜合對比可見，五擋變速器的能耗最低。

4 結論

通過本文研究可知，純電動汽車兩擋自動變速器傳動比優于單擋傳動比，但與五擋傳動比相比稍差。所以，對于兩擋變速器的純電動汽車而言，為了提高傳統比，實現最大車速及最大爬坡度的提升，可對變速器進行改進，采用五擋變速器，能夠實現汽車性能的提高。現階段，五擋變速器已經實現了產業化發展，而兩擋變速器研發成果顯然還不明顯，所以，五擋變速器可以直接應用現有技術及成果，實現研發成本的降低，同時五擋變速器對電池、電機的要求都不高，是未來電動汽車發展的主要方向。

參考文獻

[1]周兵，江清華，楊易.兩擋變速器純電動汽車動力性經濟性雙目標的傳動比優化[J].汽車工程，2011，09（22）：792-79，828.

[2]劉振軍，崔榮賓，趙江靈，等.純電動汽車兩擋變速器的研究與設計[J].重慶理工大學學報（自然科學），2014，02（15）：7-10，15.

〔編輯：劉曉芳〕

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