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某純電動汽車兩檔變速器動力經(jīng)濟(jì)性分析

2021-11-08 21:01:17·  來源：電動學(xué)堂  作者：陳文等  
　
文章來源：上汽通用五菱汽車股份有限公司1前言現(xiàn)在市場在售車型大多是電動汽車單速減速器，電動乘用車最高車速一般設(shè)計(jì)在150km/h以上，同時為了兼顧低速時的爬坡
文章來源：上汽通用五菱汽車股份有限公司
1前言
現(xiàn)在市場在售車型大多是電動汽車單速減速器，電動乘用車最高車速一般設(shè)計(jì)在150km/h以上，同時為了兼顧低速時的爬坡性能，需要把驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)得較高，常在10000轉(zhuǎn)/分鐘以上，甚至更高，因不存在檔位變化，減速器的增扭是一定的，需要把電機(jī)的過載系數(shù)或著把電機(jī)性能設(shè)計(jì)的較大才能滿足全速段的駕駛需求，增加了電機(jī)的成本。
本文就現(xiàn)有某車型和電機(jī)參數(shù)，進(jìn)行單檔、兩檔的速比設(shè)計(jì)，通過Matlab/Simulink對兩種變速器的動力經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析。
2仿真模型組成
3仿真輸入?yún)?shù)
3.1整車基本參數(shù)（表1）

3.2能耗循環(huán)工況
GB/T18386.1-2021《電動汽車能量消耗量和續(xù)駛里程》已正式發(fā)布，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了試驗(yàn)循環(huán)按照GB/T38146.1-2019中所述的中國輕型汽車行駛工況進(jìn)行，本文研究對象為M1類乘用車，選取了CLTC-P循環(huán)工況。
4速比匹配仿真
4.1整車設(shè)計(jì)目標(biāo)
本車型設(shè)計(jì)目標(biāo)主要有兩個：①滿載最大爬坡度>35%@10km/h；②最高車速>150km/h。
4.2單速變速器總速比設(shè)計(jì)
4.2.1根據(jù)最高車速要求設(shè)計(jì)速比
根據(jù)車速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式

式中，u為車速，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r為車輪滾動半徑，igi0為總速比，記為i（電機(jī)至驅(qū)動半軸），根據(jù)最高車速要求，得出i1<9.77。< span="">
在最高車速umax=150km/h時，根據(jù)功率平衡，求所需功率為：

取ηt=0.9，f為滾動阻力系數(shù)，求得P1=42.5kW，現(xiàn)有電機(jī)功率可以滿足最高車速需求。
4.2.2根據(jù)滿載最大爬坡度要求設(shè)計(jì)速比
計(jì)算最小需求總速比i2,滿載以10km/h爬35%坡度時，車速較低時忽略空氣阻力，計(jì)算最小滿足要求的最小總速比i2：

求得，i2>8.23。
綜合以上，考慮實(shí)際會有其他功率以及扭矩消耗，取單速減速器總速比為is=9.5，查圖選取質(zhì)量換算系數(shù)δ=1.17。
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式中，du/dt為行駛加速度。
根據(jù)參考車型滑行阻力換算的阻力為：
本文選取F2為仿真阻力，或與實(shí)際測試更為接近。
同時，在仿真時考慮加速阻力：

根據(jù)以上參數(shù)，代入仿真模型計(jì)算主要數(shù)據(jù)如下表：

小結(jié)：如圖3，單檔變速器驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行分布在低扭矩區(qū)域較多且零散，循環(huán)正扭矩平均值為25.3N.m，驅(qū)動電機(jī)在低效率區(qū)域運(yùn)行較多。
4.3兩檔變速器總速比設(shè)計(jì)
從單速減速器工況仿真結(jié)果來看，設(shè)法把電機(jī)輸出扭矩適當(dāng)調(diào)高，進(jìn)入更高效的區(qū)域概率更大，由驅(qū)動力公式：

可知，驅(qū)動力一定時，減小總速比可以提高驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩。
4.3.1由循環(huán)平均扭矩設(shè)計(jì)第二檔速比
由效率圖可知，電機(jī)在1000r/min以上時，輸出扭矩達(dá)到40N.m以上基本進(jìn)入了比較高效的區(qū)域，取單速減速器速比i=9.5，計(jì)算第二檔速比范圍：

得id2≤6.0。
4.3.2根據(jù)最大附著力選取最大速比
前輪驅(qū)動的汽車，最大速比上限應(yīng)滿足：

式中，b為汽車質(zhì)心至后軸距離；L為軸距；φ為路面附著系數(shù)，取1，設(shè)滿載載荷前后均勻分布，計(jì)算得id1≤12.2。
4.3.3根據(jù)一、二檔加速度設(shè)計(jì)兩檔速比
由3.3.1結(jié)果，取id2=6.0，為了滿足駕駛性需求，要求換擋后動力不中斷，要求2
檔基速下的驅(qū)動力不小于1檔最高轉(zhuǎn)速下的驅(qū)動力，有：
式中，n1為電機(jī)基速，P為電機(jī)最大功率，nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，求得id1≤18.0。
綜上，選取兩檔總速比分別為：id1=12.0；id2=6.0，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)δ分別取1.25和1.07。
4.4兩檔變速器仿真結(jié)果
4.4.1仿真指標(biāo)結(jié)果

4.4.2工況仿真分析
如圖４所示，工況循環(huán)中2檔使用比例明顯高于一檔，提升了驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計(jì)利用率。在循環(huán)工況中，電機(jī)使用的最高轉(zhuǎn)速明顯降低，參考整車設(shè)計(jì)指標(biāo)，在使用兩檔變速器時，驅(qū)動電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可以設(shè)計(jì)得更低，即可滿足整車設(shè)計(jì)需求。

5小結(jié)
通過最大附著力和平均期望扭矩，設(shè)計(jì)了兩檔變速器總速比，通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用兩檔變速器時，百公里起步加速性能提升3%，0～60km/h起步加速性能提升15%，最大爬坡度提升17%；工況驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速大幅降低，更多的運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)入高效區(qū)，綜合工況能耗降低5%，電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速可大幅降低；在滿足同一最高車速指標(biāo)時，可以將電機(jī)最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速大幅降低。
6結(jié)束語
本文在同一純電動車型上設(shè)計(jì)了單檔以及兩檔速比方案，通過仿真分析表明了純電動汽車使用兩檔變速器可以降低綜合工況能耗，提升動力性以及降低了驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，同時提高了電機(jī)的負(fù)載，發(fā)現(xiàn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和性能指標(biāo)設(shè)計(jì)的更小即可滿足同一車型性能目標(biāo)。
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