匹配純電動汽車的無級變速器參數研究

楊政威

摘 要：目前，純電動汽車多搭載單級減速器以適應不同工況，但由于單級減速器的局限性使得驅動電機在多工況下無法工作在高效率區間，尤其是在高速行駛時，汽車阻力增大，此時驅動電機工作在恒定功率工況，導致中后段加速能力降低，影響高速行駛的安全性，同時高車速時驅動電機效率降低，導致整車續航里程下降，經濟性降低，因此對純電動汽車匹配CVT無級變速器具有重要意義。

關鍵詞：純電動汽車 驅動電機 高速行駛 CVT無級變速器

Research on Parameters of Continuously Variable Transmissions Matching Pure Electric Vehicles

Yang Zhengwei

Abstract：At present， most pure electric vehicles are equipped with single-stage reducers to adapt to different working conditions. However， due to the limitations of single-stage reducers， the driving motor cannot work in the high efficiency range under multiple working conditions， especially when driving at high speed， the vehicle resistance increases. At this time， the driving motor works at constant power condition， which leads to the reduction of acceleration ability in the middle and rear sections， and affects the safety of high-speed driving. At the same time， the efficiency of the drive motor is reduced at high speed， which leads to the decrease of vehicle mileage and economy. Therefore， it is of great significance to match CVT for pure electric vehicles.

Key words：electric vehicle， drive motor， high speed driving， CVT

1 引言

截至2020年底，全國新能源汽車保有量達492萬輛，占汽車總量的1.75%，比2019年增加111萬輛，增長29.18%。其中，純電動汽車保有量400萬輛[1]，占新能源汽車總量的81.32%。新能源汽車增量連續三年超過100萬輛，呈持續高速增長趨勢[2]。但是電動汽車高速行駛續航里程和中后段加速性能一直是各公司急需解決的問題之一。

采用單級減速器不利于高電驅動總成系統的效率[3]，這是因為單一傳動比通常無法同時兼顧純電動乘用車的動力性和經濟性，行駛過程中驅動電機多數情況下無法處于高效率工作點，尤其是在最高車速以及低負荷條件下[4]，驅動電機效率一般會降至60-70%以下，嚴重浪費了車載電能而減少續駛里程[5-6]。

本文針對某A-級純電動汽車進行動力系統的重新匹配，在原有電池、電機等部件參數不變的前提下，通過搭載機械式無級變速器，對整車的動力性和經濟性進行重新設計，并通過Cruise仿真軟件進行仿真分析。

2 整車參數

本文以某款小型純電動車為設計優化目標，其整車相關參數如表1所示。

3 搭載單級傳動比電動汽車模型

搭載電機傳動比的純電動汽車主要設計參數為固定傳動比的確定，傳動比的確定要依據最高車速和最大爬坡度來計算，根據其常用工況確定其傳動比為6.12。利用AVL CRUISE軟件進行整車模型的搭建，其中整車參數如表1所示，其CRUISE模型如圖1所示，根據所建立模型進行相關參數的分析。

3.1 汽車百公里電耗

在NEDC工況下的百公里電耗是純電動汽車經濟性的重要指標之一，百公里電耗與汽車自身車重有很大關系，純電動汽車由于大容量電池組的加入本身自重回比燃油車重很多，因此純電動車的百公里電耗優化具有重要意義。

3.2 汽車100km/h-120km/h加速時間

汽車的0-100km/h加速性能是其動力性的重要指標之一，但是高速區間的加速性能與行車安全也有重要關系，純電動汽車搭載的電機具有低速恒扭矩，高速恒功率特性，這種性能決定了一般純電動汽車的中后段加速性能較差，優化中后段的加速性能可以更大程度上提高高速行車安全性，本文選取汽車100 Km/h加速至120Km/h的加速時間作為其高速性能指標之一。

3.3 汽車高速勻速行駛百公里電耗

純電動車在城市工況下具有良好的經濟性和動力性，尤其是在擁堵時相較燃油車有較大優勢，一旦進入高速行駛區間，電耗會有較大提高，影響高速行車里程，目前高速服務區充電樁配置不全，車主容易產生里程焦慮，因此高速電耗優化具有重要意義。根據高速行駛常用工況，本文選取100km/h勻速行駛時百公里電耗作為評價指標。

3.4 對選用模型在NEDC工況下進行仿真，可得各項指標的仿真結果如下

（1）該電動車在NEDC工況下百公里電耗為13.88（kWh/100km）。

（2）該電動車由100 Km/h加速到120Km/h的時間為4.7s。

（3）該電動車在110Km/h勻速行駛時百公里電耗為19.1（kWh/100km）。

4 搭載機械無級變速器純電動汽車模型

保持純電動汽車其他關鍵參數不變，在傳動系統中加入 CVT無級變速器并進行相關參數的匹配，主要涉及參數為CVT無級變速器的換擋策略和傳動比范圍的設計。根據常見CVT無級變速器的傳動比范圍和純電動車特性，選擇其傳動比范圍為0.66-2.73，設定其換檔策略如圖2所示，其中a為當前車速，b為負載信號，c為無極變速器傳動比。

4.1 搭載CVT無級變速器汽車模型

在純電動汽車模型中加入CVT無級變速器后需要對其進行控制，因此還需加入無級變速器控制模塊，使汽車在不同工況下匹配到對應的傳動比，讓驅動電機保持在高效率區間，其模型及信號連接如圖3、圖4所示。

搭載CVT無級變速器的純電動汽車相關參數計算及仿真結果如下：

（1）該電動車在NEDC工況下百公里電耗為15.68（kWh/100km）。

（2）該電動車由100 Km/h加速到120Km/h的時間為3.25。

（3）該電動車在110Km/h勻速行駛時百公里電耗為17.3（kWh/100km）。

4.2 仿真數據對比分析

本文的主要目的是研究通過搭載CVT無級變速器優化純電動汽車的相關參數指標，將搭載單級減速器和CVT變速器的純電動汽車主要參數進行對比分析如表2所示。

5 結語

本文利用AVL CRUISE軟件對搭載單級減速比和CVT無級變速器的純電動汽車主要性能指標進行對比分析，通過仿真計算得出搭載無級變速器的純電動汽車其? ? ?100 km/h-120 km/h加速時間減小了30.8%，中后段加速性能提升明顯，有利于高速行車的安全性。其110 km/h勻速行駛電耗降低了9%，有效提高了高速續航里程，降低了車主續航焦慮。但是搭載無級變速器的車型其百公里電耗增加了12.9%，這主要是由于CVT無級變速器的加入增大了整車重量。通過對比可以得到通過對純電動汽車匹配無級變速器可以增加汽車的高速性能，但是還需通過優化傳動比和電機匹配來解決經濟性問題。

注：三門峽職業技術學院項目“匹配純電動轎車的無級變速器設計與研究”（SZY-2020-076）。

參考文獻：

[1]我國純電動汽車發展概況及展望[J].南方農機，2020.

[2]電動汽車用行星齒輪無級變速設計與仿真研究.大連理工大學，2019.

[3]基于純電動汽車的精簡型無級變速器速比設計和成本分析.汽車技術，2015.

[4]搭載無級變速器純電動汽車動力性.承德石油高等專科學校學報，2014.

[5]搭載機電控制CVT純電動汽車駕駛性研究.重慶理工大學，2017.

[6]基于Cruise的純電動汽車性能仿真及測試驗證.汽車工程師，2019.