某純電動汽車電機-變速器總成研究*

田晉躍，顧以慧

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

目前，大多數(shù)的電動汽車還是使用的單級減速器，這種形式的電動汽車對電機要求很高，在一些特殊工況導致車輛的動力性和經(jīng)濟性較差，因此，多檔化是發(fā)展趨勢[1-2]。文獻[3-7]研究了動力性和經(jīng)濟性對電機變速器匹配的要求；文獻[8]考慮了中心距對傳動比的影響；文獻[9]采用擬合公式算出加速時所需要的功率；文獻[10-11]在匹配動力系統(tǒng)時將電池、電機和變速器一起匹配。

這些研究都具有局限性：(1)理論太過理想化，沒有考慮到實際工藝的局限；(2)對電機額定功率所對應的極限工況研究有偏差。文獻[3-7]在考慮所應匹配的功率時，都以設計最高車速和最大爬坡度所需功率確定峰值功率，對額定功率所對應功率也是模棱兩可；文獻[10-11]在匹配的時候將續(xù)駛里程做為第一目標，對變速器的匹配研究很少。此外，這些研究在考慮速比時都沒有考慮換擋沖擊度，忽略了換擋沖擊度所影響的舒適感，也沒有考慮電機特性對變速器傳動比的影響。

本文將針對以上研究存在的問題，以某乘用車為例，研究其電機和變速器參數(shù)匹配，并將動力總成裝車實驗。

1 電機匹配變速器的優(yōu)勢

1.1 電機驅動和發(fā)動機驅動對比

電機和汽油發(fā)動機的驅動原理區(qū)別：(1)輸出特性不一樣。汽油發(fā)動機在低轉速時為了保持汽車不熄火，只能產生很小的轉矩，當轉速提高以后，對轉矩的控制只能通過改變節(jié)氣門的開度或者改變點火角實現(xiàn)，控制精度不高，電機是通過電流控制轉矩，可以很精確地控制轉矩的變化[12]，可以舍去離合器，在汽車行駛過程中，要讓唯一的動力源上產生的轉速轉矩適應各種復雜的工況，造成兩種動力源對變速器不同的要求；(2)兩者傳動效率不同。傳統(tǒng)汽油發(fā)動機的熱效率在30%左右，一般電機效率較高，最高的永磁同步電機的效率可以達到95%，兩者效率相差巨大，直接導致匹配整車所需功率和尺寸不同，同時電機會配套一個電機控制器，不同的布局對空間提出了不同的要求。

1.2 電機匹配變速器和電機匹配減速器對比

電機匹配減速器時，汽車行駛最大速度和最大爬坡度要求電機必須是高速電機。這種匹配可以減小變速裝置的布置難度，但是要求電機具有較高的轉速和較強的調矩能力，讓電機的成本大大增加。相比而言，電機匹配變速器可以降低對電機最高轉速的要求，具有技術優(yōu)勢和成本優(yōu)勢。當匹配減速器的電動汽車在行駛時，電機很大幾率會工作在低速高轉矩和高速低轉矩的低效率區(qū)域。電機匹配變速器時，低速高扭工況用低檔位，高速低扭工況用高檔位，盡可能讓電機工作在高效區(qū)，提高續(xù)航里程，具有經(jīng)濟性優(yōu)勢。

2 整車動力系統(tǒng)方案確定

本文所設計車型車重1.2 t，滿載質量1.6 t。其動力性目標如下：0～50 km/h加速時間小于6 s，滿載最高車速130 km/h，最高穩(wěn)定車速100 km/h，最大爬坡度20%(30 km/h)。

整車布置方案為電機變速器集成驅動，驅動形式采用前置前驅，電機輸出端和變速器輸入端通過花鍵結合，免去離合器。電機轉矩轉速由電機控制器控制，動力由電機輸入變速器，再由變速器輸出動力經(jīng)由半軸傳到車輪。

整車傳動系統(tǒng)布局如圖1所示。

圖1 匹配車型動力系統(tǒng)結構

3 電機參數(shù)選定

3.1 電機種類的選擇

目前，在純電動汽車上得到廣泛應用的主要有直流電機(DCM)、交流異步電機(IM)、永磁同步電機(PMSM)和開關磁阻電機(SRM)4種驅動電機[13]。

4種電機性能如表1所示。

表1 4種電機性能表

相較其他電機，永磁同步電機具有功率密度高、電機損耗小、可靠性高、成本低等優(yōu)點，適合做為電動汽車的動力源。

3.2 電機功率

電動機功率分為額定功率和峰值功率。額定功率是電機的穩(wěn)定輸出功率，峰值功率相當于電機的“爆發(fā)力”，可以瞬間產生很大轉矩，但是持續(xù)時間有限。驅動電機功率越大，動力性能越好，但是會增加電機的體積與質量，還會降低電機在高效率區(qū)工作概率。一般要求電機的額定功率滿足最大速度和最大爬坡度的要求，且不超過太多即可。

額定功率大于最高車速對應的功率為：

(1)

式中：Vmax—設計最高車速，130 km/h；Cd—空氣阻力系數(shù)，0.34；fr—滾動阻力系數(shù)，fr=0.007 6+0.000 056ua[14]；A—迎風面積，2.646 15 m2；ηT—傳動系效率，90%。

代入式(1)得所需功率為43.16 kW。

最大爬坡度對應的功率為：

(2)

式中：γmax—設計最大爬坡度，20%；Vγ—通過最大爬坡度時最低速度速度，30 km/h。

代入式(2)得所需功率29.4 kW。最終額定功率要大于兩者的最大值43.16 kW。

峰值功率由于持續(xù)時間短，大多只在超車或者急加速的時候用到，一般根據(jù)過載系數(shù)確定。

3.3 電機轉速

電機轉速高低不僅關系到電機的生產工藝與成本，還關系到與其搭配的裝置，如配套使用的軸承、齒輪等。對電機而言，當轉速高于10 000 r/min的時候，配套的制造工藝和軸承難度加大，這就對電機的最高轉速提出了限制，但是車速由電機轉速和變速器速比的耦合關系決定，這又對電機基速和最高轉速提出了限制。

電機的最高轉速和基速的比值就是擴大恒功率系數(shù)β。β越大，電機在恒轉矩區(qū)域的轉矩越大，能夠提高汽車的加速性能和爬坡性能，但是β過大會導致基速偏小，汽車行駛過程中電機工作在基速附近的概率變小，從而導致電機效率偏低，一般電機擴大恒功率區(qū)系數(shù)一般取2～4[15]。

電機在基速附近效率是最高，所以在設計參數(shù)時，根據(jù)所設計車型的定位，選擇合理的電機基速，讓遇到最多最頻繁的工況都工作在基速附近。同時電機的最高轉速和變速器速比的乘積限制了汽車的最高車速，所以電機的最高轉速應該高于限制值。匹配如下：

(3)

式中：r—車輪半徑；nmax—電機最大轉速;nbase—電機基速;V—一般工況下較頻繁的行駛速度;imax—變速器最大傳動比;io—主減速器傳動比。

3.4 電機轉矩

電機轉矩和變速器速比的耦合要滿足汽車爬坡和加速度的要求，即通過電機輸出的轉矩，經(jīng)過變速器可以在一定坡度上穩(wěn)定地行駛，匹配如下：

(4)

式中：Trate—電機額定轉矩。

車輛能滿足規(guī)定的起步加速要求，匹配如下：

(5)

式中:Tpeak—電機峰值轉矩。

最終計算得額定功率要略大于43.16 kW，最高轉速和最小傳動比的比值大于1 361 r/min，峰值轉矩和最大傳動比的乘積要大于899 Nm。由于峰值轉速和峰值轉矩要結合檔位速比，本研究先由功率要求選定一個較為合適的電機，綜合考慮選定某國內知名品牌電機。

電機參數(shù)如表2所示。

表2 電機參數(shù)

選定電機功率-轉速和轉矩-轉速特性如圖2所示。

圖2 選定電機輸出特性圖

由圖2可知：電機在0～2 865 r/min的區(qū)間內處于恒轉矩區(qū)，可以輸出150 Nm的恒定轉矩；在2 865 r/min之后進入恒功率區(qū)，輸出額定功率為45 kW，滿足最高車速和最大爬坡度的要求。

4 變速器檔位數(shù)和速比選擇

傳統(tǒng)汽車發(fā)動機的高效區(qū)主要集中在轉速1 800 r/min～2 500 r/min的區(qū)域，同時安裝變速器主要是為了讓發(fā)動機盡可能工作在高效區(qū)，并且在低速爬坡的時候用低檔位增加力矩[16]。電動汽車安裝變速器是為了讓電機盡可能工作在基速附近的高效區(qū)，同時能夠在高速行駛時降低對電機轉速的要求。

4.1 檔位數(shù)的確定

變速器的檔位數(shù)和電機特性以及傳動比有關，檔位數(shù)要保證兩點：(1)要保證驅動電機在電機基頻以上的調速范圍足夠寬；(2)要保證相鄰檔位的恒功率區(qū)能夠銜接起來。

檔位選擇的問題和優(yōu)化方法如圖3所示。

中低速電機和變速器匹配時會產生的問題如圖3(a)所示。對于中低速電機驅動，由于電機在基速以后的調速區(qū)域窄，即便已經(jīng)在最高檔位，車速在行駛阻力矩和驅動力矩平衡之前就已經(jīng)到達極限，這種情況會造成電機功率只能夠使用其中一部分，造成浪費。

此時優(yōu)化方法如圖3(b)所示。可見增加一個傳動比更小的檔位，可以更好發(fā)揮電機的功率。

圖3 檔位選擇的問題和優(yōu)化方法

匹配兩檔速比過大時會產生的問題如圖3(c)所示。一檔和二檔的恒功率區(qū)無法銜接，這就造成了一檔升二檔的過程中，電機的工況從C點到D點，然后由D點到B點，在這個過程中，會有一個很明顯的頓挫感，造成較差的駕駛體驗。

此時優(yōu)化方法如圖3(d)所示。增加一個傳動比介于一檔和二檔之間的檔位，讓檔位之間的恒功率區(qū)可以銜接起來。

電機具有反轉的特性，可以在變速器的機械結構上省略倒擋齒輪，在換擋面板上保留倒擋，倒擋的控制過程直接通過控制策略實現(xiàn)。所選電機為中高速電機，根據(jù)以上原則，確定為兩個檔位。

4.2 檔位速比的選擇

檔位速比的選擇，主要考慮總成尺寸的限制、整車舒適性能的要求、整車動力性能的要求。

4.2.1 尺寸對傳動比的影響

尺寸對傳動比的影響，主要體現(xiàn)在中心距上。中心距較大時，每個檔位間齒輪的傳動比會有較大的選擇，但是會增加尺寸和重量，影響經(jīng)濟性；中心距較小時，檔位速比的選擇會比較局限，檔位傳動比過大時或者過小時，會有一個齒輪的尺寸較小，齒輪的接觸應力大，導致齒輪壽命短。

一般中心距由經(jīng)驗公式得到[17]：

(6)

式中：KA—中心距系數(shù)，一般轎車取8.9～9.3，貨車取8.6～9.6。

4.2.2 整車舒適性能對傳動比的要求

車輛在換擋過程中，經(jīng)過電機卸載扭矩，摘檔，調節(jié)轉速，掛擋，轉矩恢復的過程，在調節(jié)轉速的過程中，要將目標檔位的從動齒輪調節(jié)到合適的轉速，當調速完畢以后掛擋，掛擋過程中產生阻力矩。此時駕駛員的頓挫感會隨著產生的阻力矩成線性關系，而阻力矩和檔位傳動比差值正相關。

這種頓挫感用換擋沖擊度表示，即用車輛縱向加速度的變化率來表示，由傳動系統(tǒng)動力學分析可知，在卸、加載階段，傳動系統(tǒng)有確定的動力學關系[18]。以升檔為例，設整車等效轉動慣量為J，一檔升二檔的過程中，二檔從動齒輪轉速高，兩檔位從動齒輪速差為Δω，此時需要驅動電機調節(jié)轉速：

Δω=ω×(i2-i1)

(7)

式中：ω—輸入軸轉速；i1—檔傳動比；i2—二檔傳動比。

調節(jié)轉速完畢以后，掛入目標檔位，此處由于掛擋時間很短，車速變化小，忽略行駛阻力矩的影響，此時由于目標檔位從動齒輪和結合套轉速不能完全一致，在同步器結合的時會產生阻力矩，引起頓挫感，換擋沖擊度j表示如下：

(8)

式中：J—整車慣量；Ii—同步器輸入端轉動慣量。

由公式可以看出：在給定工況下，j只和兩檔位的速比之差有關且為正相關，德國推薦的最大沖擊度是10 m/s3，我國推薦的最大沖擊度為17.64 m/s3。所以兩檔速比之差不宜取得太大。

4.2.3 整車性能對傳動比的要求

整車經(jīng)濟性要求電機盡可能工作在高效區(qū)，使電機盡可能工作在恒功率區(qū)域。低速低檔位時，大傳動比工作，提高轉速，快速進入高效區(qū)。

整車動力性受變速器和電機的共同作用。最高檔的傳動比要滿足最高車速的要求，即：

(9)

代入?yún)?shù)計算得二檔傳動比和主減傳動比的乘積要小于7.985 788，且取值越小，在高速時電機的轉速越低，可以增加電機工作在高效區(qū)的概率。

低檔的傳動比能滿足加速性能的要求：

(10)

低檔的傳動比能滿足最大爬坡度的要求：

(11)

最終確定變速器檔位限制為一檔傳動比和主減傳動比的乘積要大于6.813 76且二檔傳動比和主減傳動比的乘積要小于7.985 788，中心距為99.24 mm。考慮到汽車一般行駛速度較高和20%這樣大的坡度在城市工況中較少出現(xiàn)，而且兩檔位主從動齒輪能夠

有足夠的耐久性，綜合電機調節(jié)響應速度快的特性，最終確定設置主減速比為5.2，一檔速比1.2，二檔速比為1.654。

變速器和動力總成實物如圖4所示。

圖4 變速器和動力總成實物圖

5 仿真分析及實車驗證

筆者在Matlab中建立模型，設計模型參數(shù)為傳動效率90%，風阻系數(shù)0.34，工況為汽車滿載在附著率良好路面上行駛。

為了仿真最高速度和最短加速時間，筆者采用全額定功率起步，在一檔和二檔同時進入恒功率區(qū)的交點換擋。

仿真建模及仿真結果如圖5所示。

圖5 最高車速仿真模型和仿真結果

本研究所設計的電機匹配變速器動力總成在附著率良好路面上最高車速大于130 km/h，接近140 km/h；0～50 km/h加速時間小于4 s，0～100 km/h加速時間小于11 s。

實車在附著率良好路面上的加速數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 整車加速實驗數(shù)據(jù)表

由表3可知：0～50 km/h加速時間小于4 s，0～100 km/h加速時間小于12 s。

最高車速實驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 整車最高車速實驗數(shù)據(jù)

由于剛剛做出A樣機，變速器的換擋過程控制策略和shift map還沒有制定完成，沒有優(yōu)化的換擋過程直接造成換擋時間稍長[19]，因此實際的加速時間略長于仿真的加速時間。后續(xù)會對動力總成的控制策略做出優(yōu)化，提高整車經(jīng)濟性和動力性。

為了仿真最大坡度下汽車所能達到的最高車速最高車速，本研究采用全額定功率起步，直到動力和阻力達到功率平衡。

整車爬坡實驗數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 整車爬坡實驗數(shù)據(jù)

仿真建模如圖6(a)所示。仿真結果如圖6(b)所示。

仿真結果表明：所設計的電機匹配變速器動力總成在附著率良好的20%坡度上可以達到43 km/h的穩(wěn)定車速，完全滿足整車的動力性要求。

圖6 最大爬坡度仿真模型和仿真結果

由于實驗條件限制，沒有坡度為20%標準道路可以實驗，最終筆者在一個坡度略大于20%的坡路上實驗，測得車速大于30 km/h，滿足設計要求。

動力總成裝車如圖7所示。

圖7 動力總成裝車

6 結束語

本研究基于某整車廠的某款純電動汽車設計要求，對純電動汽車的電機-變速器總成開發(fā)進行理論分析，并針對開發(fā)過程中可能會出現(xiàn)問題做出分析，研究其解決辦法。同時通過Matlab進行仿真，驗證設計結果的可行性。

在研究過程中，首次將電機-變速器動力總成由理論轉化為實物，進行裝車實驗。最后實驗數(shù)據(jù)表明：汽車的加速性能、最高速度、最大爬坡度都滿足設計要求，且仿真結果和實驗結果基本一致，充分證明設計理論的可靠性。

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