纯电动汽车两挡自动变速器传动比优化及换挡品质研究
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纯电动汽车两挡自动变速器传动比优化及换挡品质研究 发布于:2018/06/11
    摘 要:汽车传动系统中,变速器作为关键构件,直接影响整车性能。为了使电动汽车驱动电机的效率得到提升,对固定速比电动汽车进行改动,采用两挡传动比方案,促使驱动电机工作效率提高,进而使整车动力性能及经济性能得到提升。主要对纯电动汽车两挡自动变速器传动比优化及换挡品质进行研究。
  关键词:纯电动汽车;变速器;传统比;换挡品质
  中图分类号:U469.72 文献标识码:A DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.046
  1 整车基本参数
  基于传统微型车对电动汽车进行研究,保留原车悬挂系统,动力电池采用锰酸锂电池,驱动电机采用永磁同步电机。综合研究后,整车参数为:满载质量1 350 m/kg,机械传动效率0.9,轮胎滚动半径0.258 r/min,迎风面积1.868 A/m2,空气阻力系数0.31.
  根据国标GB/T 28382—2012标准及市场定位,整车动力性指标如下:30 min最高车速≥80 km/h,最大爬坡速度≥20%,4%坡度的爬坡车速≥60 km/h,12%坡度的爬坡车速≥30 km/h,工况法行驶里程≥100 km。
  2 驱动电机参数确定
  对电机进行选择时,要确保电机最大限度地工作在高效区,同时也要考虑电池组的峰值放电倍率。
  2.1 驱动电机功率在最高车速时计算
  以最高车速在水平道路上行驶,对加速阻力忽略不计,设风速为0,那么电机的输出功率即为:
  (1)
  式(1)中:P1为最高车速时驱动功率;ηt为机械传动效率;mg为整车满载质量;f(u)为滚动阻力系数;umax为最大车速;Cd为空气阻力系数;A为迎风面积。
  其中:
  f(u)=1.2(0.009 8+0.002 5[u/(100 km/h)]+
  0.000 4[u/(100 km/h)]4). (2)
  按照实际需求及国际标准,选择100 km/h车速,根据式(2),计算结果为0.015 24,代入式(1),计算结果为P1=13.2 kW。如果车速符合国家标准规定的不低于85 km/h,那么电机的功率还可以选择更小的。
  2.2 驱动电机功率在最大爬坡时计算
  对爬坡行驶时所需要的功率进行计算,忽略空气阻力功率与加速阻力功率,那么电机输出功率即为:
  (3)
  式(3)中:P2为最大爬坡度行驶功率;i为爬坡度;ua为爬坡时最低车速。
  根据式(2)可计算出f(u)=0.012 7,根据式(3)可计算出P2=26 kW。
  2.3 加速性能计算驱动电机峰值功率
  假设风速为0,在水平道路上,电动汽车输出的最大功率位于整车加速过程的末时刻,则加速过程中需要的最大功率为:
  (4)
  式(4)中:P3为匀加速末时刻所需的最大功率;ta为匀加速时间;ua为匀加速时末速度。
  根据GB/T 28382—2012国际标准可知,ta取值为10 s,根据式(2)和式(4)可计算出P3=21.3 kW。根据式(1)计算,确定电机额定功率为15 kW,由式(3)和式(4)可知,电机峰值功率选定为30 kW。为了满足成本因素与实际需求,最终选择电机额定功率15 kW,峰值功率30 kW。
  3 传动系传统比确定
  在行驶条件和电机特性不发生改变的情况下,对比以下几种传动比的变速器使用动力性能,实现对传动比的优化,使换挡品质得到提高。
  3.1 单一传动比动力性能
  为了兼顾最大爬坡度及最高车速,固定传动比选择为6.963,则其阻力与动力平衡,85 km/h为达到的最高车速,12%的坡度为最大坡度。为使爬坡性能得到满足,将电机峰值功率加大到45 kW,转速提高到9 000 r/min才能实现。这种工况下,存在的主要问题是需要提高电池放电功率,提高减速器齿轮润滑性,同时还会对倒挡时减速器输入轴反转带来一定的影响。
  3.2 两挡传动比的动力性能如果电机的功率输入相同,两挡变速器的高挡传动比与低挡传动比分别为6.5和10,通过计算,得到如图1所示的阻力与动力平衡图。
  由图1可知,90 km/h是能够达到的最高车速,而最大爬坡坡度达不到20%,只能接近。所以,需要驱动电机输出更高的功率才能实现更高的车速和爬坡度,这就要求电池的性能也要得到提升。
  3.3 五挡变速器传动比的动力性能
  采用15 kW的额定功率时,五挡变速器的最大传动比与最小传动比分别为3.538和0.78,主减速传动比3.765,倒挡速比3.454.在15 kW额定功率条件下,96 km/h为五挡变速器可以达到的最高车速,最大爬坡坡度达到20%以上,动力性能得到有效满足。
  如果行车速度只需要满足85 km/h的最低标准车速,采用11 kW的额定功率电机,则五挡变速器的最大传动比与最小传动比分别为5.494和1.033,主减速传动比4.314,倒挡速比3.583.在11 kW额定功率条件下,车速最高可满足85 km/h的需求,并且最大爬坡度也能够达到20%.两挡时,电池放电功率需求为30 kW,放电倍率为1.28;而采用五挡时,电池只需要提供15 kW的放电功率就可以满足动力性能,放电倍率为0.64.所以,使用五挡变速器时,对电池性能的要求大幅降低。
  3.4 3类变速器对比
  根据以上分析,电机如果选择15 kW额定功率,则3种变速器的最高车速及最大爬坡度如表1所示。由表1可知,采用15 kW电机与五挡变速器配合,能够满足最高车速与最大爬坡度的需求。从能耗方面来看,同等工况条件下,五挡变速度输出功率最低为11 kW,两挡变速器最低需要输出15 kW,单挡变速器则需要输出45 kW。综合对比可见,五挡变速器的能耗最低。
  4 结论
  通过本文研究可知,纯电动汽车两挡自动变速器传动比优于单挡传动比,但与五挡传动比相比稍差。所以,对于两挡变速器的纯电动汽车而言,为了提高传统比,实现最大车速及最大爬坡度的提升,可对变速器进行改进,采用五挡变速器,能够实现汽车性能的提高。现阶段,五挡变速器已经实现了产业化发展,而两挡变速器研发成果显然还不明显,所以,五挡变速器可以直接应用现有技术及成果,实现研发成本的降低,同时五挡变速器对电池、电机的要求都不高,是未来电动汽车发展的主要方向。
  参考文献
  [1]周兵,江清华,杨易.两挡变速器纯电动汽车动力性经济性双目标的传动比优化[J].汽车工程,2011,09(22):792-79,828.
  [2]刘振军,崔荣宾,赵江灵,等.纯电动汽车两挡变速器的研究与设计[J].重慶理工大学学报(自然科学),2014,02(15):7-10,15.
  〔编辑:刘晓芳〕
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