行星齿轮两档变速器的纯电动汽车性能仿真

王天利,张 键,张宏双,熊金胜

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

行星齿轮两档变速器的纯电动汽车性能仿真

王天利,张 键,张宏双,熊金胜

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

由于电动汽车采用固定速比减速器，驱动电机很难同时满足车辆的爬坡性能和最高车速要求，因此设计开发了行星齿轮两档变速器。利用ADVISOR软件建立行星齿轮两档变速器的纯电动汽车仿真模型，然后选择CYC_ECE_ EUDC_LOW循环工况，对纯电动汽车性能进行仿真。结果表明：行星齿轮两档变速器的纯电动汽车能够满足我国纯电动汽车动力性要求，且电机大部分工作在高效率区域，为电动汽车的设计和参数选取提供理论依据。

行星齿轮；纯电动汽车；两档变速器；ADVISOR软件；仿真

0 引 言

为解决能源的紧缺和环境污染的加剧，电动汽车的研发已经逐步被人们重视。电动汽车具有低排放、综合利用能源的优势，能够解决能源危机和环境污染等问题，将成为21世纪重要的新型绿色环保交通工具[1]。电动汽车使用驱动电机取代发动机，由于驱动电机具有良好的调速性能，通过合理控制使用固定速比减速器基本能满足电动汽车行驶要求，但对电机的性能提出很高的要求[2]。关于电动汽车传动系统，国外研究的重点在混合动力汽车动力耦合方面，如德国的达姆施塔特技术大学把交流感应电机和两档变速器组成驱动系统，仿真表明该系统具有潜在优势，同时台架试验也证明该系统可以改善纯电动汽车的性能[3]。然而国内研究的重点在传动系统参数匹配和速比优化方面，如上海交通大学，利用遗传算法对电动汽车固定速比减速器的速比进行了优化，并通过加权方式提出了一个综合的适应度函数，包括动力性和经济等方面[4]。本文对一种纯电动汽车用行星齿轮两档变速器研究，利用ADVISOR仿真软件对该变速器的电动汽车的整车性能进行建模并仿真研究，为以后电动汽车的设计和参数选取提供了理论的依据。

1 两档变速器的工作原理

行星齿轮两档变速器原理如图1所示。

图1 行星齿轮两档变速器的原理图

低速档：当双离合器中左侧离合器B1接合而右侧离合器B2分离时，齿圈6与箱体5固联，太阳轮作输入轴，行星架作输出轴，单个行星排实现减速同向运动，得到低速档。

高速档：当双离合器中右侧离合器B2接合而左侧离合器B1分离时，齿圈6与行星架3固联，单个行星排任何两个件固联，整个行星排整体传动，传动效率比较高，得到高速档即为直接档。

空档：双离合器中两个离合器都不接合时，任何两个件都没有发生固联，所有元件都不受约束，可以自由转动，则行星齿轮机构失去传动作用，此种状态相当于空档。电机带动外齿圈6转动，动力输出中断。

倒档：（利用电机反转）当双离合器中左侧离合器B1接合而右侧离合器B2分离时，齿圈6与箱体5固联，太阳轮作输入轴，行星架作输出轴，单个行星排实现减速同向运动，得到倒档。

2 两档变速器速比的选择

低速档在满足汽车爬坡性能的同时，要电机在低速段时尽可能运行在高效率区；高速档在满足汽车的最高车速的同时，尽量降低电机的输入轴转速，同时也要满足电机在高速段时尽可能运行在高效区域[5]。

根据单个行星排的特点，高速档为直接档，则主减速比由电动汽车的最高车速确定，即有[6]：

式中：i0―――主减速比；

r―――轮胎滚动半径；

nmax―――电机最高转速；

umax―――最高车速。

本文在写法上跟《童年的味道》有异曲同工之妙，小朋友们可以自行比较、学习。小朋友们还可以想一想：小作者的童年跟她爸爸的童年有什么不一样？

变速器的低速档速比由电动汽车的最大爬坡度确定，则有：

式中：ig1―――低速档速比；

Famax―――最大爬坡度时的行驶阻力；

ηT―――机械传动效率；

Tamax―――电机输出的最大转矩；

M―――整车质量；

f―――滚动摩擦系数；

图2为电机效率map图，表1为驱动电机参数。通过对电机效率特性、变速器的输入转速及对整车性能的综合分析，最终选定的低速档速比为4，高速档速比为1，主减速比为3.5。在换档控制策略中，换档点的选择对整车的动力性及经济性都有较大的影响，动力模式下的换档点是电机转速在换档前、后最大输出总功率相等的任何转速下；经济模式下的换档点则保证电机在等功率模式下尽可能运行在高效区域[7]。

图2 电机效率map图

表1 驱动电机参数

3 整车动力性能仿真

3.1 仿真模型

图3 整车仿真模型

ADVISOR软件采用的仿真思路是以向后仿真为主兼向前仿真[8]。在此思路上建立基于行星齿轮两档变速器的纯电动汽车仿真模型，如图3所示。该模型包括电池、电机、行星齿轮两档变速器、车轮/轴和车辆等模块。大部分模块有两个输入和两个输出接口，传递需求的转速和扭矩，同时传递实际的转速和扭矩。

3.2 整车主要参数

所研究的电动汽车以捷达轿车为研究对象进行仿真。在进行ADVISOR仿真过程中，首先要定义整车参数，整车主要参数如表2所示。

表2 整车主要参数

3.3 仿真工况的选择

图4 CYC_ECE_EUDC_LOW循环工况

在汽车性能进行测试时，需要选择汽车行驶循环工况进行模拟试验，常使用的循环工况有：中国的货车六工况、客车的城市四工况，日本10-15工况，欧洲典型驾驶循环ECE、CYC_ECE_EUDC循环工况、CYC_ECE_EUDC_LOW循环工况，美国城市驾驶循环UDDS等[9]。

图5 仿真结果

图6 驱动电机的实际工作点

捷达轿车为城市用车，因此仿真以CYC_ECE_ EUDC_LOW循环工况为基础。循环工况时间为1224s，行驶里程为10.59km，最大行驶速度为90km/h，平均速度为 31.11km/h，最大加速度为1.06 m/s2，最大减速度为-1.39 m/s2，行驶过程中共计停车13次[10]，如图4所示。

3.4 仿真结果与分析

图5为两档变速器的纯电动汽车的仿真结果，自上而下分别为整车在路面工况行驶的车速、电机输出的转速、电机输出的扭矩和变速器的速比。从图5中的仿真结果图中可知，纯电动汽车驱动系统所匹配的参数满足所选的工况，行驶安全稳定。当车速达到循环道路最高车速90km/h时，电机输出的转速大约为311.54 rad/s，电机输出的最大扭矩为91.5 N·m，纯电动汽车的电机输出的功率和扭矩基本能够满足整车行驶动力性需求，变速器在低速档时电机输出的转矩比较小，而高速档时电机输出的转矩相对高一些。

其他仿真结果见表3。

表3 其他仿真结果

图6为纯电动汽车在循环工况下行驶时电机效率图，电机的工作效率点大部分高于0.85，电机主要在高效率区域内运行，因此所选驱动电机的运行效率是较合理的。

4 结束语

本文采用行星齿轮两档变速器的电动汽车传动系统，降低了对驱动电机的性能要求。对电动汽车传动系统进行参数匹配，利用ADVISOR软件对电动汽车的性能仿真分析，结果表明能够满足我国电动汽车的动力性要求，且驱动电机的工作效率点大部分运行在高效率区域内，为以后电动汽车的设计和参数选取提供理论依据。

[1]姬芬竹，高峰，周荣.纯电动汽车传动系参数匹配的研究[J].汽车科技，2005（6）：22-24.

[2]杨易，江清华，周兵，等.纯电动汽车最佳动力性换档规律[J].汽车技术，2011（3）：1-4.

[3]Eberleh B，Hartkopf T H.A high speed induction machine with two speed transmission as drive for electric vehicles[C]∥SPEEDAM，2006.

[4]朱正礼，殷承良，张建武.基于遗传算法的纯电动轿车动力总成参数优化[J].上海交通大学学报，2004，38（11）：1907-1912.

[5]陆中华.基于纯电动轿车的两档双离合器式自动变速器控制技术研究[D].长春：吉林大学，2010（12）：9-10.

[6]Chang L C.Recent developments of electric vehicles and their Propulsion systems[J].IEEE Aerospace and Electric System Magazine，1993，8（12）：3-6.

[7]黄伟，王耀南，冯坤，等.纯电动汽车两档自动变速器研究开发[J].汽车科技，2011（10）：2-3.

[8]刘磊，刚宪约，王树凤，等.汽车仿真软件ADVISOR[J].农业装备与车辆工程，2007（2）：41-42.

[9]Markel T，Brooker A，Hendricks T，et al.ADVISOR：a sysetms analysis tool for advanced vehide modeling[J]. Journal of Power Sources，2002：255-266.

[10]王兴，秦东晨，裴东杰.电动汽车动力性能仿真分析[J].机械设计与制造，2102（12）：2-3.

Simulation of electric vehicle’s performance with planetary gear two-speed transmission

WANG Tian-li，ZHANG Jian，ZHANG Hong-shuang，XIONG Jin-sheng
（Institute of Automotive and Transportation Engineering，Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001，China）

Since higher request was put forward to the motor of the electric vehicle with a fixed speed ratio reducer and it is difficult to meet the performance requirements of gradeability and maximum speed，planetary gear two-speed transmission was designed and developed.By use of ADVISOR software，a simulation model of the electric vehicle is established with planetary gear two-speed transmission and selecting the CYC_ECE_EUDC_LOW cycle，and the electric vehicle’s performance was simulated.Simulation results show electric vehicles with planetary gear two-speed transmission can meet requirements for electric vehicle’s dynamic performance of the country. Furthermore，the motor can mainly work in the high efficiency region.These conclusions provide a theoretical basis for the design and parameter selection of electric vehicle.

planetary gear；electric vehicle；two-speed transmission；ADVISOR；simulation

TH16；U469.72；U469.212.4；TP391.9

：A

：1674-5124（2014)03-0125-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.033

2013-06-28；

：2013-08-21

王天利（1957-），男，辽宁锦州市人，教授，硕士，研究方向为汽车测试技术、汽车动力学。