纯电动汽车减速器速比选择研究

2014-10-13张娟萍

山东交通学院学报 2014年2期

周洋，张娟萍

(上海大众汽车有限公司，上海 201805)

能源短缺与环境污染的挑战使得清洁能源汽车受到越来越多的关注，作为研究重点之一的纯电动汽车，发展前景广阔。减速器作为传动系统中的重要组成部分是电动汽车研究的重点项目之一。电动机的起动转矩很大，可实现低速恒扭矩、高速恒功率的工作模式，且易实现无级调速。为提高传动系统效率，选择结构简单、制造成本低的固定速比减速器。

1 减速器速比选择

以某型号电动汽车为研究对象，在已有的动力传动系统参数设计基础上，建立电动汽车整车驱动模型。首先应用理论公式计算减速器速比选择的大致范围，再通过仿真模拟整车特性，选择不同的速比对比分析车辆动力性与续驶里程的最优状态，最后得出减速器的最佳速比范围。

1.1 主要技术参数

在电动机输出特性一定时，减速器速比的选择，依赖于整车的动力性能指标要求。影响电动汽车动力性能的因素很多，不仅与整车及各部件的参数有关，而且也与驾驶工况等密切相关。

根据国家及地方法规［1-2］，并参考乘用车驾驶员对车辆的性能要求，纯电动汽车主要技术参数及整车动力性参数为:

1)整车。①主要技术参数。长×宽×高=4 598 mm×1 740 mm×1 452 mm、整备质量1 550 kg、迎风面积2 m2、空气阻力系数0.33、滚动阻力系数0.012、轮胎滚动半径295 mm、轴距2 600 mm。②主要动力性参数。最大车速120 km/h、最大爬坡度30%、0～50 km/h的加速时间＜6 s、0～100 km/h的加速时间＜12 s、60 km/h续驶里程为160 km、工况法续驶里程为110 km。

2)电机参数。最大功率为85 kW、最大扭矩为260 N·m。

3)蓄电池参数。能量为25 kW·h、电压为290 V、SOC范围为95% ～20%。

4)减速器效率。97%。

1.2 减速器速比选择范围

电动汽车机械传动系统的主要部件包括固定速比减速器、差速器、半轴、驱动车轮等。减速器速比i的选择直接影响车辆传动系统的工作性能，如果选择不当，将对整车性能产生不利影响，根据汽车理论经验公式［3］得出减速器速比的大致选择范围。

1)速比上限的选择

速比上限i1的计算公式为

式中 nmax为电机转速上限，nmax=13 000 r/min;umax为车速上限，umax=120 km/h;r为车轮滚动半径。

计算得 i1≤11.52。

2)速比下限的选择

由电动机最高转速对应的最大输出扭矩Tumax和最高车速对应的行驶阻力Fumax确定传动系速比的下限i2，计算公式为

式中 η为传动系效率。

计算得 i2≥4.82。

由电动机最大输出扭矩Tamax和最大爬坡度对应的行驶阻力Famax确定速比的下限i3，计算公式为

计算得 i3≥5.21。

选取i2与i3中的最大值为速比下限，为5.21。因此，减速器速比大致范围为5～12。

为进一步精确定义减速器速比选择范围，在其它边界条件如滚动阻力、电动机输出扭矩特性、空气阻力等不变的情况下，通过车辆性能仿真软件分别选择不同的速比进行仿真，最后根据车辆行驶性能的仿真结果更准确的确定速比范围。

1.3 循环工况的选择

车辆行驶过程中，为适应不同的道路状况，需要不断改变行驶速度和行驶状态，如加速、恒速或减速，实际的车辆速度非常复杂，不可能是线性的，本文按照文献［2］中的NEDC行驶工况进行仿真。

1.4 电动汽车性能仿真

参考现有电动汽车传动系仿真方法［4-5］，利用GT仿真软件中的仿真模型(电机、蓄电池、驱动电机、控制器等已经与实物实测结果进行过多次对比纠正，该模型已经搭建成为成熟的整车环境)，基于以上整车环境及动力性行驶性能要求，在电机/电池等核心零部件参数一致的情况下，分别对不同速比(5～12)进行整车动力性能仿真［6-7］，分析减速器速比的参数设计对车辆动力性能的影响［8］，并给出仿真结果如表1～2。

表1 仿真结果对比

表2 不同车速下匀速行驶的续驶里程

1.5 仿真结果分析

1)最高车速及最大爬坡度。结合表1～2中仿真结果，根据整车动力参数的要求最大车速≮120 km/h，则速比i≤11;最大爬坡度≮30%，则i≥7;因此i=7～11。

2)加速性能。由表1可知，0～100 km/h加速时i=9～11时加速性能达到最优，而0～50 km/h加速时的加速时间在i=10～11间最优，50～80 km/h加速时的加速时间在i=7～9最优。

3)续驶里程。由表1～2可知，随着速比的增加以及车速增大，续驶里程逐渐减小。车辆如保持匀速行驶，能有效提高车辆的续驶里程。车辆匀速行驶速度越高，由于风阻及轮胎滚动阻力增加，续驶里程将会减少。

因此i=7～11。

2 实车验证

以某型号的纯电动汽车为试验样车(无能量回馈功能)，样车动力性能指标参数为:最大车速为120 km/h、最大爬坡度为30%、0～100 km/h的加速时间＜12 s、续驶里程为110 km。

根据该车整车性能定义，选取固定速比为9.5的减速器做试验［9-12］，实车测得最大车速为145 km/h、最大爬坡度为49%、0～100 km/h的加速时间为11.5 s、续驶里程为115.21 km，满足原样车的动力性能指标要求。

将i=9.5时的实车试验数据与表1中i=9、i=10时的仿真数据对比可知，其最大车速与最大爬坡度的实测数据与仿真结果相近，加速性能与续驶里程数据与仿真数据误差值很小，基本在3%之内，进一步验证了该仿真结果数据的可靠性，说明i=7～11能够很好的满足整车设计要求［13-16］。

3 结语

1)电动汽车驱动电机转速调节区间大，在减速器固定速比条件下，通过电机转速调节实现车辆在0～120 km/h行驶，且纯电动汽车经常行驶在城市较好的路面上，车流密度较大，车速经常在60 km/h以内，速度变化范围不大，加上电机具有良好的驱动特性，因此采用固定减速比，既保证了电机低速高扭矩特性的发挥，又减轻了重量，确保使用单级减速器的经济性。

2)在保证车辆最高车速的前提下，整车参数一定，为保证车辆的加速性能及续驶里程，i=9～11为最优选择值。如整车性能定义中偏重0～50 km/h的加速性能，速比应偏上限选择，如偏重50～80 km/h的加速性能，速比应偏下限选择，如偏重0～100 km/h的加速性能，速比应偏中间选择。

3)车辆续驶里程在i=8～11时区别不大，所以在考虑车辆行驶性能要求的前提下，应综合选择适合整车性能定义的速比范围。

［1］中国国家标准化管理委员会.GB/T 18385—2005 电动汽车动力性能实验方法［S］.北京:中国标准出版社，2005.

［2］中国国家标准化管理委员会.GB/T 18386—2005 电动汽车能量消耗率和续驶里程试验［S］.北京:中国标准出版社，2005.

［3］余志生.汽车理论［M］.北京:机械工业出版社，2000.

［4］姬芬竹，高峰，吴志新.纯电动汽车传动系参数的区间优化方法［J］.农业机械学报，2006，37(3):5-7.

［5］姬芬竹，高峰，吴志新.电动车传动系和整车质量对续驶里程的影响［J］.机械科学与技术，2006，25(7):840-843.

［6］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):22-25.

［7］姬芬竹，高峰，吴志新.电动汽车传动系参数设计及动力性仿真［J］.北京航空航天大学学报，2006，32(1):8-11.

［8］李国良，初亮，鲁和安.电动汽车续驶里程的影响因素［J］.吉林工业大学学报:自然科学版，2000，30(3):20-23.

［9］范大鹏，吴光强.无级变速传动系统的新型建模方法研究［J］.山东交通学院学报，2007，15(4):5-9.

［10］王昕彦，赵万胜，李刚.自动变速器车辆参数的模糊匹配及性能评价［J］.山东交通学院学报，2007，15(3):1-5.