基于Cruise的電動(dòng)汽車匹配CVT變速器仿真分析

唐麗萍　呂掌權(quán)

摘 要：目前，固定速比減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，在電動(dòng)汽車上得到了廣泛的應(yīng)用。但是，該結(jié)構(gòu)形式對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性有較高的要求，而且增加了電機(jī)在低效率范圍工作的概率，而無級(jí)變速器在一定范圍內(nèi)可以連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。因此本文針對(duì)某款電動(dòng)車，分別匹配固定速比減速器和CVT無級(jí)變速器進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，在NEDC循環(huán)工況下，匹配CVT無級(jí)變速器的電動(dòng)汽車在動(dòng)力性方面明顯增強(qiáng)，但經(jīng)濟(jì)性有所減低。關(guān)鍵詞：CRUISE;純電動(dòng)汽車;CVT中圖分類號(hào)：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）01-06-03

Abstract： At present， the fixed speed ratio reducer has been widely used in electric vehicles due to its simple structure and low cost. However， this structure has higher requirements on the speed and torque characteristics of the motor， and increases the probability of the motor operating in the low efficiency range. The CVT can be continuously changed in a certain range to achieve efficient motor operation. Therefore， in this paper， a fixed speed ratio reducer and CVT stepless transmission are respectively matched for simulation analysis of a certain electric vehicle. The simulation results show that， under NEDC cycle condition， the electric vehicle matched with CVT transmission has obvious enhancement in power performance， but the economy is reduced to some extent.Keywords： CRUISE; Electric Vehicle; CVTCLC NO.： U469.7 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）01-06-03

前言

隨著國(guó)家政策的大力支持，我國(guó)電動(dòng)汽車行業(yè)得到了快速發(fā)展，2018年中國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)銷量突破200萬輛，但是現(xiàn)階段電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程、能耗問題一直是汽車廠商亟待解決的問題，對(duì)電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)匹配能夠提高電動(dòng)汽車的性^[1]。目前，絕大部分汽車使用固定傳動(dòng)比減速器，該傳動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但是采用固定速比減速器，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩特性要求較高，電機(jī)效率相對(duì)較低^[2]。而搭載CVT無級(jí)變速器能夠充分發(fā)揮電機(jī)性能，提高電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)的扭矩和高轉(zhuǎn)速下的功率，增大電機(jī)在高效率范圍工作的概率^[3]。

在電動(dòng)汽車多擋化的方面，國(guó)內(nèi)外有很多相關(guān)研究，但是多數(shù)采用兩擋式變速器，能在一定程度上提高整車的經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性，但是對(duì)搭載CVT變速器的研究較少^[4-6]。本文針對(duì)某電動(dòng)汽車，在原有電機(jī)、電池等核心部件不變的前提下，分別搭載固定速比減速器和CVT無級(jí)變速器，對(duì)整車動(dòng)力性參數(shù)進(jìn)行匹配計(jì)算，并在NEDC循環(huán)工況下對(duì)比固定傳動(dòng)比減速器電動(dòng)汽車和搭載CVT無級(jí)變速器電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真。

1 整車參數(shù)

以某電動(dòng)汽車為基礎(chǔ)，建立電動(dòng)汽車整車動(dòng)力學(xué)模型，該電動(dòng)汽車整車基本參數(shù)如表1所示，動(dòng)力總成的基本參數(shù)如表2所示。

2 固定傳動(dòng)比減速器電動(dòng)汽車模型

2.1 固定速比變速器電動(dòng)汽車模型建立

本文利用AVL CRUISE 軟件建立固定速比變速器電動(dòng)汽車模型。該模型采用單電機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)，電機(jī)及電池參數(shù)如表2所示，根據(jù)汽車最高車速及最大爬坡度，計(jì)算主減速器傳動(dòng)比。然后將動(dòng)力傳遞的各個(gè)模塊加入到模型中，建立正確的信號(hào)連接，固定速比減速器電動(dòng)汽車模型如圖1所示。

（1）最小傳動(dòng)比的計(jì)算

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最小傳動(dòng)比應(yīng)該滿足汽車的最高車速要求，最小傳動(dòng)比由公式（1）計(jì)算：

得到汽車的最小傳動(dòng)比i_min=5.855。

（2）最大傳動(dòng)比的計(jì)算

汽車的最大傳動(dòng)比應(yīng)該滿足最大爬坡度的要求，由公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

得到變速器最大傳動(dòng)比i_max=6.175。

因此固定速比減速比的傳動(dòng)比范圍為5.855～6.175，在兼顧動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，變速器傳動(dòng)比選擇6.015。

2.2 固定速比變速器電動(dòng)汽車仿真計(jì)算及結(jié)果

本文主要研究電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)，通過對(duì)模型進(jìn)行NEDC循環(huán)工況進(jìn)行仿真，來得到該電動(dòng)汽車的百公里耗電量、最高車速、加速時(shí)間以及爬坡。其仿真分析結(jié)果如下：

（1）該電動(dòng)汽車的最高車速可以達(dá)到175km/h;該電動(dòng)車在滿載條件下的最大爬坡為29.98%;

（2）該電動(dòng)車0-100km/h加速時(shí)間為10.40s;

（3）該電動(dòng)汽車在ENDC工況下百公里耗電量為13.87kwh/100km;續(xù)航里程約220km。

3 搭載CVT變速器電動(dòng)車模型

搭載CVT變速器的電動(dòng)車與固定速電動(dòng)汽車的區(qū)別主要在于，CVT變速器的傳動(dòng)比是在一定范圍內(nèi)可以連續(xù)變化。其常見的傳動(dòng)比在0.5-3.0之間，根據(jù)汽車的不同要求，可以適當(dāng)修改最小以及最大傳動(dòng)比。在CVT工作過程中，傳動(dòng)比主要是根據(jù)主從動(dòng)帶輪之間的夾緊力的比值決定的，為了滿足汽車正常行駛的各工況要求，要求CVT的傳動(dòng)比應(yīng)滿足公式（3）：

其中i_min、i_max分別為最小傳動(dòng)比和最大傳動(dòng)比，即CVT的傳動(dòng)比應(yīng)在i_min和i_max之間。

由公式（3）可以得到CVT的傳動(dòng)比范圍，因此該CVT模型的傳動(dòng)比設(shè)置為0.68-2.68。同時(shí)在考慮汽車最高車速，最大爬坡度的情況下，該CVT變速器傳動(dòng)比設(shè)置為0.68-2.88。

3.1 搭載CVT變速器電動(dòng)汽車模型建立

在AVL-Cruise中，建立電動(dòng)汽車整車模型;其中，整車基本參數(shù)、電機(jī)模型、電池模型等與2.1節(jié)固定傳動(dòng)比電動(dòng)汽車模型參數(shù)相同。在CVT變速器模塊中需要添加CVT變速器的控制策略。而CVT變速器的控制策略是由車速、汽車負(fù)載等參數(shù)調(diào)整變速器的傳動(dòng)比，使得汽車在不同工況均可得到在有效的傳動(dòng)比。本文選擇Cruise中CVT變速器集成的控制策略模塊。

3.2 搭載CVT變速器電動(dòng)汽車仿真計(jì)算及結(jié)果

搭載CVT變速器電動(dòng)汽車的仿真計(jì)算采用與固定傳動(dòng)比電動(dòng)汽車仿真相同工況進(jìn)行仿真計(jì)算，其仿真結(jié)果如下：

（1）該電動(dòng)汽車的最高車速可以達(dá)到186km/h;該電動(dòng)車在滿載條件下的最大爬坡為38.02%。

（2）該電動(dòng)車通過0-100km/h加速時(shí)間為9.53s;

（3）該電動(dòng)汽車在ENDC工況下百公里耗電量為15.79kwh/100km;續(xù)航里程約187 km。

3.3 搭載CVT和固定速比的變速器的仿真結(jié)果對(duì)比分析

本文分別將固定傳動(dòng)比變速器和搭載CVT變速器的電動(dòng)汽車仿真結(jié)果如表3所示。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，與搭載固定速比變速器的電動(dòng)車相比，0-100km/h加速時(shí)間減少8.3%，最高車速提升6.3%，最大爬坡度上升26.8%。因此，搭載CVT

變速器的電動(dòng)汽車在動(dòng)力性能方面比搭載固定傳動(dòng)比變速器的電動(dòng)車表現(xiàn)要好;但是經(jīng)濟(jì)性能表現(xiàn)要差，百公里耗電量增加了13.8%，續(xù)航里程下降了15%。

4 結(jié)論

本文針對(duì)某款分別對(duì)搭載固定傳動(dòng)比變速器電動(dòng)汽車和搭載CVT變速器電動(dòng)汽車進(jìn)行仿真分析。對(duì)比結(jié)果顯示與固定傳動(dòng)比變速器電動(dòng)汽車相比，搭載CVT變速器電動(dòng)汽車在動(dòng)力性方面表現(xiàn)較好，動(dòng)力性能有較大的提高，百公里加速時(shí)間減少8.3%，最高車速提升6.3%，最大爬坡度上升26.8%;而在經(jīng)濟(jì)性方面變現(xiàn)相對(duì)較弱，百公里耗電量增加13.8%，續(xù)航里程下降了15%。搭載CVT變速器的電動(dòng)汽車動(dòng)力性表現(xiàn)較好可能是因?yàn)镃VT變速器傳動(dòng)比變化范圍較大，與固定傳動(dòng)變速器相比更能滿足最大車速和最大爬坡度的要求。經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差可能是由于CVT變速器的換擋策略不能讓電機(jī)工作在效率最高的區(qū)域。

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