純電動(dòng)汽車兩檔變速器動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性探析
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摘要：“雙積分”政策的實(shí)施，推動(dòng)了汽車行業(yè)的進(jìn)步，以及“雙碳”戰(zhàn)略的提出，更刺激新能源汽車市場的發(fā)展。隨著電驅(qū)技術(shù)的日益完善以及成本的降低，電動(dòng)汽車越來約被消費(fèi)者所接受，企業(yè)所重視。面對日益提升的駕駛需求以及電機(jī)成本的優(yōu)化壓力，單速變速器存在一定弊端，就如傳統(tǒng)汽車一樣，從早期的4AT、6AT到現(xiàn)在的8AT甚至更多檔位的變速器，電動(dòng)汽車多檔化勢在必行。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車兩檔變速器動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性仿真
1前言
現(xiàn)在市場在售車型大多是電動(dòng)汽車單速減速器，電動(dòng)乘用車最高車速一般設(shè)計(jì)在150km/h以上，同時(shí)為了兼顧低速時(shí)的爬坡性能，需要把驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車能量消耗量和續(xù)駛里程》已正式，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(gè)：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(dòng)半徑，igi0為總速比，記為i（電機(jī)至驅(qū)動(dòng)半軸），根據(jù)最高車速要求，得出i1<9.77。在最高車速umax=150km/h時(shí)，根據(jù)功率平衡，求所需功率為：=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(shí)，車速較低時(shí)忽略空氣阻力[1]，計(jì)算最小滿足要求的最小總速比i2：矩消耗，取單速減速器總速比為is=9.5，查圖[2]選取質(zhì)量換算系數(shù)δ=1.17。22AFu++=••uCB（5）本文選取F2為仿真阻力，或與實(shí)際測試更為接近。同時(shí)，在仿真時(shí)考慮加速阻力：dtdumFj=δ（6）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(dòng)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(dòng)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(dòng)力公式：riiTFtgtqtη0=（7）可知，驅(qū)動(dòng)力一定時(shí)，減小總速比可以提高驅(qū)動(dòng)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(shí)，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is=9.5，計(jì)算第二檔速比范圍：3.25(40/)2⋅≤sdii（8）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(dòng)的汽車，最大速比上限應(yīng)滿足[3]：LTmgrbiitgηϕmax0≤（9）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(dòng)力不中斷，要求2檔基速下的驅(qū)動(dòng)力不小于1檔最高轉(zhuǎn)速下的驅(qū)動(dòng)力[3]，有：max11295509550niPiPndd⋅⋅≥⋅⋅（10）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。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(dòng)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(shí)，驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(dòng)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(shí)，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(dòng)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(dòng)汽車使用兩檔變速器可以降低綜合工況能耗，提升動(dòng)力性以及降低了驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，同時(shí)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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作者:陳文 韋流權(quán) 單位:上汽通用五菱汽車股份有限公司