匹配純電動(dòng)汽車的無級變速器參數(shù)研究

楊政威

摘 要：目前，純電動(dòng)汽車多搭載單級減速器以適應(yīng)不同工況，但由于單級減速器的局限性使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)在多工況下無法工作在高效率區(qū)間，尤其是在高速行駛時(shí)，汽車阻力增大，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在恒定功率工況，導(dǎo)致中后段加速能力降低，影響高速行駛的安全性，同時(shí)高車速時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率降低，導(dǎo)致整車?yán)m(xù)航里程下降，經(jīng)濟(jì)性降低，因此對純電動(dòng)汽車匹配CVT無級變速器具有重要意義。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 高速行駛 CVT無級變速器

Research on Parameters of Continuously Variable Transmissions Matching Pure Electric Vehicles

Yang Zhengwei

Abstract：At present， most pure electric vehicles are equipped with single-stage reducers to adapt to different working conditions. However， due to the limitations of single-stage reducers， the driving motor cannot work in the high efficiency range under multiple working conditions， especially when driving at high speed， the vehicle resistance increases. At this time， the driving motor works at constant power condition， which leads to the reduction of acceleration ability in the middle and rear sections， and affects the safety of high-speed driving. At the same time， the efficiency of the drive motor is reduced at high speed， which leads to the decrease of vehicle mileage and economy. Therefore， it is of great significance to match CVT for pure electric vehicles.

Key words：electric vehicle， drive motor， high speed driving， CVT

1 引言

截至2020年底，全國新能源汽車保有量達(dá)492萬輛，占汽車總量的1.75%，比2019年增加111萬輛，增長29.18%。其中，純電動(dòng)汽車保有量400萬輛[1]，占新能源汽車總量的81.32%。新能源汽車增量連續(xù)三年超過100萬輛，呈持續(xù)高速增長趨勢[2]。但是電動(dòng)汽車高速行駛續(xù)航里程和中后段加速性能一直是各公司急需解決的問題之一。

采用單級減速器不利于高電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)的效率[3]，這是因?yàn)閱我粋鲃?dòng)比通常無法同時(shí)兼顧純電動(dòng)乘用車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，行駛過程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)多數(shù)情況下無法處于高效率工作點(diǎn)，尤其是在最高車速以及低負(fù)荷條件下[4]，驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率一般會(huì)降至60-70%以下，嚴(yán)重浪費(fèi)了車載電能而減少續(xù)駛里程[5-6]。

本文針對某A-級純電動(dòng)汽車進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)的重新匹配，在原有電池、電機(jī)等部件參數(shù)不變的前提下，通過搭載機(jī)械式無級變速器，對整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并通過Cruise仿真軟件進(jìn)行仿真分析。

2 整車參數(shù)

本文以某款小型純電動(dòng)車為設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)，其整車相關(guān)參數(shù)如表1所示。

3 搭載單級傳動(dòng)比電動(dòng)汽車模型

搭載電機(jī)傳動(dòng)比的純電動(dòng)汽車主要設(shè)計(jì)參數(shù)為固定傳動(dòng)比的確定，傳動(dòng)比的確定要依據(jù)最高車速和最大爬坡度來計(jì)算，根據(jù)其常用工況確定其傳動(dòng)比為6.12。利用AVL CRUISE軟件進(jìn)行整車模型的搭建，其中整車參數(shù)如表1所示，其CRUISE模型如圖1所示，根據(jù)所建立模型進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的分析。

3.1 汽車百公里電耗

在NEDC工況下的百公里電耗是純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)之一，百公里電耗與汽車自身車重有很大關(guān)系，純電動(dòng)汽車由于大容量電池組的加入本身自重回比燃油車重很多，因此純電動(dòng)車的百公里電耗優(yōu)化具有重要意義。

3.2 汽車100km/h-120km/h加速時(shí)間

汽車的0-100km/h加速性能是其動(dòng)力性的重要指標(biāo)之一，但是高速區(qū)間的加速性能與行車安全也有重要關(guān)系，純電動(dòng)汽車搭載的電機(jī)具有低速恒扭矩，高速恒功率特性，這種性能決定了一般純電動(dòng)汽車的中后段加速性能較差，優(yōu)化中后段的加速性能可以更大程度上提高高速行車安全性，本文選取汽車100 Km/h加速至120Km/h的加速時(shí)間作為其高速性能指標(biāo)之一。

3.3 汽車高速勻速行駛百公里電耗

純電動(dòng)車在城市工況下具有良好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，尤其是在擁堵時(shí)相較燃油車有較大優(yōu)勢，一旦進(jìn)入高速行駛區(qū)間，電耗會(huì)有較大提高，影響高速行車?yán)锍?，目前高速服?wù)區(qū)充電樁配置不全，車主容易產(chǎn)生里程焦慮，因此高速電耗優(yōu)化具有重要意義。根據(jù)高速行駛常用工況，本文選取100km/h勻速行駛時(shí)百公里電耗作為評價(jià)指標(biāo)。

3.4 對選用模型在NEDC工況下進(jìn)行仿真，可得各項(xiàng)指標(biāo)的仿真結(jié)果如下

（1）該電動(dòng)車在NEDC工況下百公里電耗為13.88（kWh/100km）。

（2）該電動(dòng)車由100 Km/h加速到120Km/h的時(shí)間為4.7s。

（3）該電動(dòng)車在110Km/h勻速行駛時(shí)百公里電耗為19.1（kWh/100km）。

4 搭載機(jī)械無級變速器純電動(dòng)汽車模型

保持純電動(dòng)汽車其他關(guān)鍵參數(shù)不變，在傳動(dòng)系統(tǒng)中加入 CVT無級變速器并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的匹配，主要涉及參數(shù)為CVT無級變速器的換擋策略和傳動(dòng)比范圍的設(shè)計(jì)。根據(jù)常見CVT無級變速器的傳動(dòng)比范圍和純電動(dòng)車特性，選擇其傳動(dòng)比范圍為0.66-2.73，設(shè)定其換檔策略如圖2所示，其中a為當(dāng)前車速，b為負(fù)載信號(hào)，c為無極變速器傳動(dòng)比。

4.1 搭載CVT無級變速器汽車模型

在純電動(dòng)汽車模型中加入CVT無級變速器后需要對其進(jìn)行控制，因此還需加入無級變速器控制模塊，使汽車在不同工況下匹配到對應(yīng)的傳動(dòng)比，讓驅(qū)動(dòng)電機(jī)保持在高效率區(qū)間，其模型及信號(hào)連接如圖3、圖4所示。

搭載CVT無級變速器的純電動(dòng)汽車相關(guān)參數(shù)計(jì)算及仿真結(jié)果如下：

（1）該電動(dòng)車在NEDC工況下百公里電耗為15.68（kWh/100km）。

（2）該電動(dòng)車由100 Km/h加速到120Km/h的時(shí)間為3.25。

（3）該電動(dòng)車在110Km/h勻速行駛時(shí)百公里電耗為17.3（kWh/100km）。

4.2 仿真數(shù)據(jù)對比分析

本文的主要目的是研究通過搭載CVT無級變速器優(yōu)化純電動(dòng)汽車的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，將搭載單級減速器和CVT變速器的純電動(dòng)汽車主要參數(shù)進(jìn)行對比分析如表2所示。

5 結(jié)語

本文利用AVL CRUISE軟件對搭載單級減速比和CVT無級變速器的純電動(dòng)汽車主要性能指標(biāo)進(jìn)行對比分析，通過仿真計(jì)算得出搭載無級變速器的純電動(dòng)汽車其? ? ?100 km/h-120 km/h加速時(shí)間減小了30.8%，中后段加速性能提升明顯，有利于高速行車的安全性。其110 km/h勻速行駛電耗降低了9%，有效提高了高速續(xù)航里程，降低了車主續(xù)航焦慮。但是搭載無級變速器的車型其百公里電耗增加了12.9%，這主要是由于CVT無級變速器的加入增大了整車重量。通過對比可以得到通過對純電動(dòng)汽車匹配無級變速器可以增加汽車的高速性能，但是還需通過優(yōu)化傳動(dòng)比和電機(jī)匹配來解決經(jīng)濟(jì)性問題。

注：三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院項(xiàng)目“匹配純電動(dòng)轎車的無級變速器設(shè)計(jì)與研究”（SZY-2020-076）。

參考文獻(xiàn)：

[1]我國純電動(dòng)汽車發(fā)展概況及展望[J].南方農(nóng)機(jī)，2020.

[2]電動(dòng)汽車用行星齒輪無級變速設(shè)計(jì)與仿真研究.大連理工大學(xué)，2019.

[3]基于純電動(dòng)汽車的精簡型無級變速器速比設(shè)計(jì)和成本分析.汽車技術(shù)，2015.

[4]搭載無級變速器純電動(dòng)汽車動(dòng)力性.承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2014.

[5]搭載機(jī)電控制CVT純電動(dòng)汽車駕駛性研究.重慶理工大學(xué)，2017.

[6]基于Cruise的純電動(dòng)汽車性能仿真及測試驗(yàn)證.汽車工程師，2019.