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采用單級(jí)減速器和兩擋變速器的純電動(dòng)汽車性能對(duì)比研究
2021-10-11 19:32:22· 來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂
為了提升車輛的動(dòng)力性能和續(xù)駛里程，基于某款純電動(dòng)汽車，將原有的單級(jí)減速器替換為兩擋變速器，并對(duì)兩擋傳動(dòng)比參數(shù)進(jìn)行了匹配計(jì)算，同時(shí)基于Cruise模型仿真計(jì)算
為了提升車輛的動(dòng)力性能和續(xù)駛里程，基于某款純電動(dòng)汽車，將原有的單級(jí)減速器替換為兩擋變速器，并對(duì)兩擋傳動(dòng)比參數(shù)進(jìn)行了匹配計(jì)算，同時(shí)基于Cruise模型仿真計(jì)算，對(duì)搭載電機(jī)減速器和兩擋變速器車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析。
1典型工況下電機(jī)工作點(diǎn)分析
1.1整車相關(guān)參數(shù)
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)固定不變的前提下，將原有的單級(jí)減速器替換為兩擋變速器。
整車基本參數(shù)及性能要求見表1，原有的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)見表2。
1.2典型循環(huán)工況分析
針對(duì)純電動(dòng)汽車，目前國(guó)內(nèi)大多采用NEDC（New European Driving Cycle，新歐洲駕駛循環(huán)）工況衡量車輛的續(xù)駛里程，國(guó)外大多采用WLTC（Worldwide Light-duty Test Cycle，全球輕型汽車駕駛循環(huán)）工況衡量車輛的續(xù)駛里程。
因此選擇NEDC工況及WLTC工況作為典型循環(huán)工況進(jìn)行分析，結(jié)合整車參數(shù)與傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)可以得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)在兩種工況下的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，各工作點(diǎn)如圖1所示。
通過圖1可知，車輛搭載驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配單級(jí)減速器時(shí)，在NEDC工況及WLTC工況下絕大部分電機(jī)工作點(diǎn)效率偏低，電機(jī)的高效區(qū)沒有得到充分利用，不利于提升整車的續(xù)駛里程。如果換用兩擋變速器，不僅可以獲得更高的極限車速、更少的加速時(shí)間和更大的最大爬坡度，而且通過高、低速擋之間的切換，可以使電機(jī)盡量工作在高效率區(qū)間，延長(zhǎng)車輛續(xù)駛里程，實(shí)現(xiàn)整車動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能的同步提升。
2兩擋變速器速比匹配
汽車傳動(dòng)系統(tǒng)速比的選擇需要兼顧整車經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的要求，針對(duì)兩擋變速器方案，一擋速比需要滿足最大爬坡度的要求，二擋速比需要滿足最高車速的要求，同時(shí)合理設(shè)計(jì)速比使行駛過程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作點(diǎn)的高頻區(qū)與高效區(qū)重合達(dá)到延長(zhǎng)續(xù)駛里程的目的。
根據(jù)最大爬坡度，由式（1）確定一擋速比的下限。
式中：i1為變速器的一擋速比；m為滿載質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；α為最大爬坡度對(duì)應(yīng)的坡度角；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；vα為爬坡車速；r為輪胎滾動(dòng)半徑；η為傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率；Tmax為驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩。
為了防止驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)，要求作用在驅(qū)動(dòng)輪上的地面切向反作用力小于地面附著力，由式（2）確定一擋速比上限。
式中：φ為路面附著系數(shù)，一般干燥路面取0.7524；Fz為地面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的法向反作用力。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩和最高車速對(duì)應(yīng)的行駛阻力，由式（3）確定二擋速比下限。
式中：i2為變速器的二擋速比；vmax為最高車速；Temax為驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定工況下峰值轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。
根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速和最高車速，由式（4）確定二擋速比上限。
為了防止兩擋速比分配不當(dāng)造成換擋時(shí)驅(qū)動(dòng)力中斷，一般要求一擋下電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力應(yīng)小于等于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力，如式（5）所示。
式中：ne為驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。
通過式（1）～式（5）計(jì)算可得，5.067≤i1≤17.751，2.013≤i2≤8.012，i1/i2≤2.681。則選取某款兩擋變速器的一擋速比i1為14.8，二擋速比i2為6.5。
3整車模型仿真及結(jié)果對(duì)比分析
采用Cruise對(duì)搭載單級(jí)減速器和兩擋變速器的整車進(jìn)行模型搭建和性能仿真，主要對(duì)整車的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行仿真對(duì)比分析。
考慮到兩擋變速器增加了換擋機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率稍低，參考汽車傳動(dòng)系統(tǒng)效率推薦值將搭載單級(jí)減速器的傳動(dòng)系統(tǒng)效率設(shè)置為95%，搭載兩擋變速器的傳動(dòng)系統(tǒng)效率設(shè)置為92%。
3.1動(dòng)力性能仿真對(duì)比分析
經(jīng)過仿真計(jì)算得出：當(dāng)車輛搭載單級(jí)減速器時(shí)，最高車速為133km/h；當(dāng)搭載兩擋變速器時(shí)，最高車速為160km/h。這是由于當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速確定時(shí)，速比越小車速越高，因此二擋小速比可以獲得更高的車速。
從圖2（a）可以看出：當(dāng)車速為30km/h時(shí)，搭載單級(jí)減速器的車輛爬坡度為33.2%；搭載兩擋變速器的車輛爬坡度為35.6%，爬坡度略有提升，當(dāng)車速在20km/h以下時(shí)，爬坡度提升明顯，這是由于低速時(shí)一擋大速比對(duì)應(yīng)著更大的驅(qū)動(dòng)扭矩，有利于提升車輛的爬坡性能。
從圖2（b）可以看出：搭載單級(jí)減速器的車輛百公里加速時(shí)間為10.91s；搭載兩擋變速器的車輛百公里加速時(shí)間為12.25s，時(shí)間有所延長(zhǎng)，但是在低速時(shí)（小于70km/h），其百公里加速用時(shí)短于前者，這是因?yàn)榈退贂r(shí)采用一擋大速比，驅(qū)動(dòng)扭矩大使得加速時(shí)間縮短，而在高速時(shí)采用二擋小速比，驅(qū)動(dòng)扭矩小加速時(shí)間延長(zhǎng)。
3.2經(jīng)濟(jì)性能仿真對(duì)比分析
基于Cruise搭建的整車模型，分別對(duì)搭載單級(jí)減速器和兩擋變速器的車輛在NEDC工況、WLTC工況及等速60km/h工況的續(xù)駛里程進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果見表3。
由表3可以看出：兩擋減速器方案與單級(jí)減速器方案相比，3種工況下的續(xù)駛里程均呈現(xiàn)較大幅度提升。NEDC工況和WLTC工況的提升效果更為明顯，這是因?yàn)樽兯倨鲹Q擋能夠調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作點(diǎn)，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)盡可能工作在高效率區(qū)間。
NEDC工況和WLTC工況下兩擋減速器方案相對(duì)單級(jí)減速器方案的效率提升如圖3所示。
顯著。在NEDC工況下，單個(gè)工況點(diǎn)效率提升最高可達(dá)8%，續(xù)駛里程提升22.453%；WLTC工況下，單個(gè)工況點(diǎn)效率提升最高可達(dá)12%，續(xù)駛里程提升41.096%；等速60km/h工況，單級(jí)減速器與兩擋減速器方案相比，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率由82.085%提高至83.860%，續(xù)駛里程略有提升。
4結(jié)論
1）在車輛搭載驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配單級(jí)減速器時(shí)，參考驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率圖，NEDC及WLTC工況下電機(jī)絕大部分工作點(diǎn)效率偏低，電機(jī)的高效區(qū)域沒有得到充分利用。
2）在動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)不變的情況下，基于整車參數(shù)和性能要求對(duì)兩擋變速器的傳動(dòng)比進(jìn)行匹配計(jì)算：一擋速比為14.8，二擋速比為6.5。
3）基于Cruise軟件搭建整車模型，最高車速由采用單級(jí)減速器方案時(shí)133km/h提高至采用兩擋變速器方案時(shí)160km/h；當(dāng)車速為30km/h時(shí)，爬坡度由33.2%提高至35.6%，而百公里加速時(shí)間有所延長(zhǎng)，但在低速時(shí)采用兩擋變速器方案加速性能更好；NEDC工況下續(xù)駛里程由273.498km提升至334.906km，WLTC工況下續(xù)駛里程由237.722km提升至335.417km，等速60km/h工況下續(xù)駛里程由362.647km提升至374.333km。
4）使用兩擋減速器方案整車的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能均有不同程度的提升，且均滿足整車性能要求。
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