采用单级减速器和两档变速器的纯电动轿车性能对比研究_一汽技术中心_刘建康

采用单级减速器和两档变速器的纯电动轿车性能对比研究刘建康，王燕（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春市创业大街1063号）[摘要]以某款纯电动轿车为研究对象，根据整车性能指标，分别针对单级减速器和两档变速器方案，对其动力总成参数进行匹配；基于AVLCRUISE和MATLAB/SIMULINK软件平台，搭建整车动力性经济性仿真模型和控制策略模型，对两种方案的动力性经济性进行仿真，然后对结果进行综合分析，得出结论，EV车型搭载两档变速器能够改善车辆经济性，但动力性较单级减速器方案差。关键词：纯电动；单级减速器；两档变速器;仿真主要软件：AVLCRUISE;MATLAB/SIMULINKStudyonPerformanceofPureElectricVehiclewithorWithoutTransmissionLiuJiankang,WangYanChinaFAWCo.,Ltd.R&DCenter,ChangchunChuangyestreet1063[Abstract]Basedontargetperformance,powertrainparametersarerespectivelymatchedforanEVwithasingle-geartransmissionoratwo-geartransmission.BasedonAVLCRUISEandMATLAB/SIMULINK,thesimulationmodelandcontrolstrategyarecreated,thenthevehicleperformanceissimulated,finallytheresultisanalyzed.Keywords:EV;Single-gearTransmission；Two-gearTransmission;SimulationSoftware:AVLCRUISE;MATLAB/SIMULINK1.前言由于工作特性要求，车辆需求动力源在低速时输出大扭矩，高速时输出恒功率，传统内燃机输出特性无法与车辆直接匹配，需要匹配一个多档变速器满足车辆需求。对于纯电动汽车而言，由于电机具有与传统内燃机不同的工作特性，在低速时能够输出大扭矩，高速时能够输出恒功率，因此电机特性能够基本与车辆需求吻合，无需增加多档变速器，只需增加一个单级减速器或者两档变速器即可。单级减速器（如图1-1）方案传动效率高、资源丰富、开发难度小，效率较高，基本可满足中小型纯电动整车要求，目前量产车型（Leaf、BMWi3、大众e-up等）大多数采用固定速比的减速器，但是单级减速器方案需求电机扭矩较大、转速较高，无法有效控制电机运行状态；两档变速器（如图1-2）方案可减小电机扭矩、转速，降低电机设计难度，优化电机运行状态；但两档变速器增加了换挡机构，结构较复杂，效率稍低，需重新开发。图1-1单级减速器示意图图1-2两档变速器示意图2.动力总成参数匹配本文以某款纯电动轿车为研究对象，基于整车性能目标对其动力总成（电机、电池、传动系）参数进行初步匹配，其整车构型如图2-1所示，整车及性能参数如表2-1所示。电机动力电池整车控制器电池管理系统电机控制器12V系统高压系统CAN通讯单级减速器/两档变速器图2-1整车动力系统构型图表2-1整车参数及性能目标项目参数值单位整车参数整备质量1528kg满载质量1908kg长/宽/高4320/1780/1550mm轴距2650mm轮胎滚动半径335mm滚阻系数0.0085—电附件功率300W性能目标30min最高车速140km/h1km最高车速160km/h0-100km/h加速12s最大爬坡度≥30%NEDC续驶里程200km动力总成参数匹配原则如表2-2所示。表2-2动力总成参数匹配原则动力总成参数匹配原则传动系统单级减速器速比同时兼顾车辆最大爬坡度和车辆最高车速两档变速器一档满足最大爬坡度要求，二档满足最高车速要求动力电机峰值扭矩满足最大爬坡度要求，峰值功率满足加速要求，额定功率满足最高车速要求，最高转速满足最高车速要求动力电池功率满足电机功率要求，能量满足整车续驶里程要求基于以上车辆参数、性能目标和匹配原则，动力总成参数匹配结果如下表2-3所示，两种方案对应电机参数如图2-2和2-3所示。表2-3动力总成参数匹配结果动力总成总成参数单级减速器方案两档变速器方案备注驱动电机峰值转矩，Nm295230假设：减速器效率97%，变速器效率95%峰值功率，kW108108满足加速性需求最高转速，rpm105008100满足最高车速160km/h传动系速比8.110.5/6.2同时满足最大爬坡度和最高车速动力电池峰值放电功率，kw130130满足电机功率需求可用能量，kwh3030满足续驶里程要求图2-2两种方案对电机需求图2-3两种方案对应电机MAP3.整车模型搭建3.1整车CRUISE仿真模型搭建AVLCRUISE可广泛应用于汽车性能的仿真计算，其模块化建模思想为搭建整车经济性模型提供了方便，根据以上参数，本文基于AVLCRUISE搭建的整车动力性仿真模型如图3-1所示，搭建的整车经济性仿真模型如图3-2所示。其中，整车、驱动电机、减速器/变速器、动力电池等模型在AVLCRUISE中搭建，整车经济性控制策略模型在MATLAB/SIMULINK中搭建，然后以动态链接库的形式嵌入到CRUSIE中，从而形成完整的整车经济性仿真模型，动力性模型直接在CRUISE中搭建，不需要SIMULINK模型。图3-1整车动力性仿真模型图3-2整车经济性仿真模型3.2整车控制策略模型搭建基于MATLAB/SIMULINK平台搭建整车控制策略模型，如图3-3所示。整车控制策略模型主要包括三大模块：驾驶员需求模块，整车工作模式判断模块、动力总成扭矩分配模块。驾驶员需求模块主要是根据驾驶员踏板开度等信号计算驾驶员需求扭矩、需求功率，整车工作模式判断模块主要是根据驾驶员需求及车辆状态等信息判断车辆工作模式，动力总成扭矩分配模块主要是根据车辆工作模式计算动力源的输出扭矩、功率等。图3-3整车控制策略模型3.3变速器换挡策略分析两档变速器方案在做整车动力性经济性仿真时需要考虑变速器换挡策略，在动力性即加速性仿真时，一般采用CRUISE自带的最大加速度换挡规律，在做经济性仿真时，采用二维换挡表，即根据负荷、车速，然后综合考虑电机在一档和二档的效率，制定换挡策略，其原理和换挡规律分别如图3-4和图3-5所示。图3-4经济性换挡原理图3-5经济性换挡规律4.仿真结果及分析结论4.1仿真结果基于以上模型，对两种方案分别进行动力性经济性仿真，其中动力性仿真结果如表4-1所示，加速过程如图4-1所示，两种方案对应的驱动力-车速关系如图4-2所示。由图4-2可见，针对同样功率级别的驱动电机，由于两档变速器效率稍低，同样车速对应的车轮端驱动力两档变速器方案比单级减速器方案略小，导致两档变速器方案加速性略差，而且两档变速器方案在高速段加速存在换挡，存在动力中断，所以在高速加速段（如0-100km/h和80-120km/h）时两档变速器方案加速性较差。表4-1两种方案整车动力性仿真结果动力性指标单级减速器方案两档变速器方案备注30min最高车速，km/h140140与整车参数有关，与传动系类型无关1km最高车速，km/h1601600-100km/h加速，s8.910.0参照国标GB/T18385-2005，AMT换挡时间约为1s，假设单机减速器效率0.97，两档变速器效率0.950-50km/h加速，s3.53.650-80km/h加速，s2.72.880-120km/h加速，s6.17.2最大爬坡度，%3030图4-1两种方案对应的加速过程曲线图4-2两种方案的车速-车轮端驱动力对应关系两种方案整车经济性仿真结果如表4-2所示，由此可见，两档变速器方案经济性较好，主要是其变速器换挡能够调节电机工作点，使电机尽可能工作在高效率区间，四种工况下两种方案对应的电机工作点如图4-3～4-6所示，可见两档变速器方案电机工作效率较高。表4-2两种方案整车经济性仿真结果经济性指标单级减速器方案两档变速器方案节能，%备注NEDC电耗，kwh/100km14.113.72.8与电机效率MAP及电机工作点有关WLTC电耗，kwh/100km16.115.63.1Changchun电耗，kwh/100kmkwh/100km12.211.55.7US06电耗，kwh/100km20.319.82.5图4-3NEDC工况下两种方案的工作点图4-4WLTC工况下两种方案对应电机工作点图4-5长春工况下两种方案电机工作点图4-6US06工况两种方案电机工作点4.2分析结论除了整车性能以外，在做方案选择时还需综合考虑系统成本、电机及变速器尺寸、变速器资源、变速器开发难度等因素，单级减速器与两档变速器方案综合对比结果如表4-3所示。由此可见，两档变速器方案能够降低对电机需求，降低电机开发难度，改善整车经济性，但是影响整车加速性，而且变速器资源较少，不成熟，成本较高，因此目前绝大部分EV车型搭载单级减速器，但随着技术的发展，如果两档变速器效率能够进一步提高，批量生产以后成本进一步降低，则可以考虑在EV车型上应用。表4-3两种方案综合对比结果对比项目单级减速器方案两档变速器方案备注驱动电机电机转矩0（300Nm）+(233Nm)满足车辆爬坡需求电机功率0（110kw）0（110kw）满足加速需求最高转速0（10500rpm）0（8100rpm）满足最高车速需求电机尺寸0+（铁心长度降低）峰值扭矩降低，尺寸和成本也随着降低电机成本0+(成本降低约100元)变速器变速器效率0（约96～98%）-（约94～96%）二档变速器结构复杂变速器成本0-（增加约3000元）增加了换挡机构和控制变速器资源0（资源较多且成熟）-（资源少，不成熟）变速器开发难度0（结构简单，开发容易）-（结构复杂，开发较难）整车性能动力性0-（加速性变差）效率略低，且存在换挡经济性0+（改善约3%）实现电机工作点调节车型应用所有量产EV车型尚未发现EV应用4.结语1）通过AVLCRUISE软件能够快速搭建整车动力性经济性仿真模型，为整车动力总成参数匹配提供依据，为不同方案对比研究提供支撑。2）EV车型搭载两档变速器能够改善车辆经济性，但动力性较单级减速器方案差。3）做方案选择时应综合考虑各方面因素，目前EV车型搭载单级减速器比较可行，但将来两档变速器也有望在EV车型上应用。参考文献[1]WeiHuang,YaonanWang,KunFeng,StudyonPerformanceofPureElectricVehicleUseTwo-speedTransmission,EVS25Symposium,ShenZhen,China,Nov5-9,2010.[2]CHANGCHIH-MING.SIAOJHENG-CIN，PerformanceAnalysisofEVPowertrainSystemwith/withouttransmission,EVS25Symposium,ShenZhen,China,Nov5-9,2010