章印，王彧喧，吳鷹，劉杰靈，萬茂松

（1.210037 江蘇省 南京市 南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院 ；2.211800 江蘇省 南京市 南京依維柯汽車有限公司）

0 引言

目前，電動(dòng)汽車主要使用單擋固定速比主減速器，采用這種傳動(dòng)方式具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)[1]。但是采用單級(jí)主減速器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)不僅要在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提供較高的輸出轉(zhuǎn)矩，又要在恒功率區(qū)通過弱磁控制電機(jī)達(dá)到較高的轉(zhuǎn)速，這對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提出了較高的要求；同時(shí)，采用單級(jí)主減速器還存在起步加速能力不足、電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速過高、效率較低等問題[2]。因此，基于某款純電動(dòng)商用汽車，為了更好地滿足整車性能目標(biāo)，同時(shí)降低對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求，本文采用兩擋變速器替代原有的單級(jí)主減速器，進(jìn)行了兩擋變速器匹配計(jì)算，然后利用動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真軟件AVL-Cruise 進(jìn)行了仿真，對(duì)搭載單級(jí)主減速器和兩擋變速器的車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

1.1 純電動(dòng)汽車整車基本參數(shù)及性能指標(biāo)

某單擋純電動(dòng)廂式貨車整車基本參數(shù)見表1，整車性能目標(biāo)如表2 所示。

表1 整車基本參數(shù)Tab.1 Vehicle basic parameters

2 整車性能目標(biāo)Tab.2 Vehicle performance objectives

1.2 原動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果

本文所研究的純電動(dòng)汽車是在動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)保持不變的情況下，用兩擋變速器替換原來的單級(jí)主減速器。該純電動(dòng)汽車匹配的電機(jī)參數(shù)如表3 所示，電池參數(shù)如表4 所示。

表3 電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.3 Main technical parameters of motor

表4 電池主要技術(shù)參數(shù)Tab.4 Main technical parameters of battery

1.3 兩擋變速器傳動(dòng)比的選擇

電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足各種約束條件。針對(duì)兩擋變速器，1 擋速比需滿足最大爬坡度的要求，2 擋速比需要滿足最高車速的要求[3]，同時(shí)驅(qū)動(dòng)輪應(yīng)滿足地面附著力限制以及相鄰兩擋傳動(dòng)比比值限制等要求[4]。由于兩擋變速器增加了換擋機(jī)構(gòu)，相對(duì)于單級(jí)減速器效率稍低，傳動(dòng)系統(tǒng)總效率為90%。

（1）1 擋傳動(dòng)比的取值范圍

1 擋驅(qū)動(dòng)時(shí)，最大驅(qū)動(dòng)力應(yīng)小于或等于輪胎的峰值附著力Fz，以防止驅(qū)動(dòng)輪打滑，由式（1）確定1 擋速比上限。

式中：Fz——地面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的法向反作用力；φ——路面附著系數(shù)，干燥路面一般取值0.75；r——輪胎滾動(dòng)半徑；η——匹配兩擋變速器的傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率；Tm——為電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩。

由式（2）所示，由車輛行駛于最大爬坡度時(shí)的行駛阻力和此時(shí)電機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩確定1 擋傳動(dòng)比的下限。

式中：mG——最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量；f——滾動(dòng)阻力系數(shù)；α——最大爬坡度；CD——空氣阻力系數(shù)；A——迎風(fēng)面積；uα——爬坡車速。

由式（1）和式（2）可得，一擋傳動(dòng)比的取值范圍為4.497 ≤i1≤7.432。

（2）2 擋傳動(dòng)比的取值范圍

由電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的最高車速和峰值轉(zhuǎn)速，確定2 擋速比的上限。

式中：nmax——電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速；umax——最高車速。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩和最高車速對(duì)應(yīng)的行駛阻力，確定2 擋速比的下限。

式中：m——電動(dòng)汽車整備質(zhì)量和附加質(zhì)量之和，本文中，附加質(zhì)量為最大允許裝載質(zhì)量的一半，800 kg；Te——額定轉(zhuǎn)矩。

由式（3）和式（4）可得，二擋傳動(dòng)比的取值范圍為1.095 ≤i2≤6.175。

為防止兩擋速比分配不當(dāng)造成換擋困難，通常該比值取值不大于1.8[5]，即

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，選取某款兩擋變速器，其1 擋速比為6.167，2 擋速比為3.8。

2 Cruise 仿真分析

利用仿真軟件AVL-Cruise 建立整車的仿真模型。Cruise 軟件提供了友好的人機(jī)交互界面，用戶可以迅速添加模塊化組件，添加控制模塊，正確連接數(shù)據(jù)總線即可得到整車模型。本文分別對(duì)匹配兩擋變速器和單級(jí)主減速器的整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真和分析，對(duì)比仿真結(jié)果。

2.1 整車仿真模型的建立

匹配單級(jí)主減速器的汽車動(dòng)力傳遞路線為電機(jī)→主減速器→差速器→半軸→車輪；匹配兩擋變速器的汽車動(dòng)力傳遞路線為電機(jī)→離合器→變速器→差速器→半軸→車輪。圖1 為匹配單級(jí)主減速器的電動(dòng)汽車整車模型，圖2 為匹配兩擋變速器的電動(dòng)汽車整車模型。

圖1 匹配單級(jí)主減速器的電動(dòng)汽車整車模型Fig.1 Electric vehicle model matching single-gear transmission

圖2 匹配兩擋變速箱的電動(dòng)汽車整車模型Fig.2 Electric vehicle model matching two-gear transmission

2.2 AVL-Cruise 仿真分析對(duì)比

2.2.1 最高車速和加速時(shí)間對(duì)比

由圖3、圖4 可知，車輛搭載單級(jí)減速器時(shí)，最高車速為125 km/h；搭載兩擋變速器時(shí)，最高車速達(dá)到145 km/h。這是由于兩擋速比與原來的單級(jí)減速器速比相比更小，因此可以獲得更高的車速。

圖3 匹配單級(jí)主減速器的電動(dòng)汽車速度隨時(shí)間變化曲線Fig.3 The curve of velocity versus time of electric vehicle with single-gear transmission

圖4 匹配兩擋變速箱的電動(dòng)汽車速度隨時(shí)間變化曲線Fig.4 The curve of velocity versus time of electric vehicle with two-gear transmission

當(dāng)車輛搭載單級(jí)減速器時(shí)，0～30 km/h 加速時(shí)間為2.57 s，30～50 km/h 加速時(shí)間為2.75 s，0～100 km/h 加速時(shí)間為24.69 s；搭載兩擋變速器時(shí)，0～30 km/h 加速時(shí)間為2.20 s，30～50 km/h 加速時(shí)間為3.02 s，0～100 km/h加速時(shí)間為24.14 s。低速時(shí)，由于采用1 擋大速比，使得低速時(shí)的加速時(shí)間縮短，但由于增加了換擋機(jī)構(gòu)且高速時(shí)采用2 擋小速比，所以高速時(shí)的加速時(shí)間提升并不明顯，30～50 km/h加速時(shí)間甚至還有所增加。

2.2.2 爬坡性能對(duì)比

汽車最大爬坡度反映汽車的爬坡性能，是衡量汽車動(dòng)力性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。由圖5 可知，車輛搭載單級(jí)減速器時(shí)，該車型最大爬坡度29.68%；搭載兩擋變速器時(shí)，最大爬坡度提高為36.27%。2種減速器的動(dòng)力性仿真結(jié)果對(duì)比見表5。

表5 動(dòng)力性仿真結(jié)果對(duì)比Tab.5 Comparison of dynamic performance simulation results

圖5 爬坡度仿真曲線Fig.5 Climbing performance simulation curve

2.2.3 續(xù)駛里程對(duì)比

按照GB/T 18386-2017《電動(dòng)汽車 能量消耗率和續(xù)駛里程 試驗(yàn)方法》，設(shè)置試驗(yàn)質(zhì)量為滿載，在Cruise 中建立車速為40 km/h 的等速行駛工況，使該工況的時(shí)間足夠長，直到電池電量消耗盡[6]。車輛搭載單級(jí)減速器時(shí)，40 km/h 等速行駛工況的續(xù)駛里程為378.9 km；搭載兩擋變速器時(shí)，40km/h等速行駛工況的續(xù)駛里程為390.3 km，續(xù)駛里程提高了3%。按C-WTVC 工況進(jìn)行仿真，車輛搭載單級(jí)減速器時(shí)，續(xù)駛里程為250.5 km；用兩級(jí)減速器替代單級(jí)主減速器，續(xù)駛里程為274.3 km，續(xù)駛里程提升了9.5%。C-WTVC 工況下系統(tǒng)效率的變化如圖6 所示，2 種工況對(duì)比結(jié)果見表6。

圖6 C-WTVC 工況下系統(tǒng)效率的變化Fig.6 Changes of system efficiency under C-WTVC operating conditions

表6 經(jīng)濟(jì)性仿真對(duì)比結(jié)果Tab.6 Comparison of economic performance simulation results

3 結(jié)論

本文對(duì)某純電動(dòng)商用汽車進(jìn)行了改進(jìn)，用兩擋變速器替代原有的單級(jí)主減速器，通過Cruise軟件建立了仿真模型。仿真結(jié)果顯示，最高車速提高了16%，0～30 km/h 加速時(shí)間提升了14.4%，0～100 km/h 加速時(shí)間提升了2.33%；最大爬坡度提升了22.2%；C-WTVC 工況下，續(xù)駛里程提升了9.5%。

電動(dòng)汽車匹配兩擋變速器，相較于匹配單級(jí)主減速器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本偏高，且由于存在換擋時(shí)間，使得30～50 km/h 加速時(shí)間略有下降，但總體上，整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性均得到大幅優(yōu)化。