兩擋變速器在純電城市物流車上的應用分析

郭海保 方志勤 朱丹丹

摘 要：根據某款純電城市物流輕卡的整車性能目標，分別匹配大扭矩電機直驅方式和小扭矩電機+兩擋變速器，對匹配兩種動力總成的車輛的動力性、經濟性進行仿真分析，最后將性能、成本和重量等方面進行對比分析，得出結論：兩擋變速器在成本、重量、爬坡能力方面有明顯優勢，在經濟性方面與直驅相當，但在駕駛感受方面表現不佳。

關鍵詞：純電;物流車;兩擋變速器;性能

中圖分類號：U469.72 ?文獻標志碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-11-03

Abstract： According to the performance goals of a pure electric city logistics truck， it is matched with the high-torque motor direct drive mode and the small-torque motor+two-gear transmission， which is dynamic and economical for vehicles that match two power assemblies Carry out a simulation analysis of the performance， and finally compare and analyze the performance， cost and weight， and conclude that the two-gear transmission have obvious advantages in terms of cost， weight， and climbing ability. They are economically equivalent to direct drive， but they are driving Poor performance.

Keywords： EV; Logistics Turk; Two-gear transmission; Performance

CLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-11-03

1 前言

近年來，國家對新能源汽車的大力推廣，使得純電汽車發展越來越快，尤其是純電輕卡商用車在城市短途物流的應用越來越廣。目前對于純電輕卡物流車，大多采用大扭矩電機加大速比后橋的直驅方式，針對純電動車是否需要配變速器一直觀點不一[1]。本文對兩擋變速器在某4.5t純電輕卡上的匹配分析，從性能、重量、成本等方面與現有直驅方式進行對比，論述其優缺點。

2 整車參數及性能目標

2.1 動力總成相關參數的確定

根據整車的相關參數和性能目標要求確定兩擋動力總成的相關參數

2.1.1 峰值轉速

基于整車最高車速，應用下列式計算驅動電機的峰值轉速：

式中：Vmax：整車最高車速，單位（km/h）;r：車輪滾動半徑，單位（m）;nmax：電機峰值轉速，單位（r/min）;i：傳動系速比。

2.1.2 功率

應用下列式計算驅動電機的額定功率：

式中：pem：驅動電機額定功率，單位（kw）;Ttq：整車最高車速時驅動電機扭矩，單位（Nm）。

基于全負荷加速時間，應用下列公式計算驅動電機的峰值功率：

式中：pem_max：驅動電機峰值功率，單位（kw）;η：傳動系效率;m：整車質量，單位（kg）;f：道路滾動阻力系數;ua：車速，單位（km/h）;CD：風阻系數;A：迎風面積，單位（m2）;δ：汽車旋轉質量換算系數;：行駛加速度，單位（m/s2）。

2.1.3 峰值扭矩

基于整車最大爬坡度，應用下列公式計算驅動電機的峰值扭矩：

式中：Tmax：驅動電機峰值扭矩，單位（Nm）;α：坡度角，單位（°）。

2.1.4 兩擋變速器參數確定

此次所匹配的兩擋變速器是以兩擋AMT形式，以AMT形式，取消離合器，采用驅動電機調速，換擋電機驅動撥叉和滑套的換擋方式。采用該種結構主要是考慮其在同類型自動變速箱中效率高，結構簡單，成本低，重量輕。

目前純電動汽車大多采用交流永磁同步電機，這種類型電機具有基速以下恒扭矩輸出，基速以上恒功率輸出的特點，其特性與車輛驅動特性相似。下式為電動車驅動力公式：

式中：Fd：車輛驅動力，單位（N）;Tm：電機輸出扭矩，單位（Nm）。

車輛在巡航和最高車速工況下，需考慮驅動力和行駛阻力的平衡點。一般情況下，驅動電機在基速附近具有很高的效率，因此在設定速比時，車輛在巡航工況運行時電機工作在基速附近，驅動電機最高轉速時，變速箱速比應滿足車輛最高車速要求[2]。

在滿足車輛基本性能要求時，還需考慮車輛在最大牽引力時車輪不打滑：

式中：N：地面法向反力，單位（N）;μ：地面附著系數。

整車換擋過程主要包括五個階段：電機降扭、變速器摘擋、變速器升/降速、變速器進檔、電機增扭，故兩擋變速器階比對換擋性能和控制有直接關系。階比過大，會導致電機調速時間過長，換擋沖擊大，階比過小，電機在高效區時車速范圍窄，經濟性較差[3]。為了盡可能滿足換擋舒適性，保證整車經濟性，一二檔階比一般滿足：

式中：i1：1擋速比;i2：2擋速比。

根據公式（1）（2）（3）（4）可以確定驅動電機基本參數，根據公式（5）（6）（7）可確定變速器速比，由此可得兩擋動力總成基本參數[4]。見表2：

3 性能仿真與結果分析

整車性能仿真采用AVL公司的Cruise軟件進行建模與仿真，為了使仿真結果更加接近實際情況，仿真的相關整車參數以及制動能量回收的相關策略，均來自現有直驅實車數據。

由表3仿真結果可以得知，該車匹配兩擋動力總成比匹配直驅動力總成在最高車速提升20%，0-50km/h加速提升17.7%，爬坡性能提升了34.4%，起步加速以及最大爬坡度上的提升，主要原因是兩擋箱在一擋采用較大速比，提升動力總成輸出扭矩;二檔可采用較小速比提升車輛最高車速能力，但在中段加速過程中，由于匹配為AMT形式變速器，換擋過程中的電機升降扭調速和進出擋時間將近1.5秒，故中段加速較直驅差。

經濟性方面，以C-WTVC工況為例，滿載情況下，等速能耗降低了1.3%，主要是兩擋箱可以可以調節電機的工作范圍，使電機盡可能的工作在高效區域，使得能耗降低。C-WTVC工況下電機工作區間見下圖2和圖3。

整車開發過程中，不能僅僅考慮性能，還需考慮成本，

重量。由表3可知，相比直驅，兩擋動力總成在成本方面降低16.7%，重量方面降低22.2%。主要原因是，對于商用車而言，需求扭矩較大，而采用變速器可大幅降低電機扭矩需求，從而降低電機質量。

4 結語

（1）4.5t純電輕卡上匹配兩擋變速器在動力性，經濟性，以及成本和重量上均有優化，這對廠家應對法規的電耗要求，整車輕量化以及滿足客戶對超載能力的需求均有很好效果。

（2）純電車匹配變速器目前主要難題是如何解決變速器所帶來的重量、效率、成本、舒適性等問題。

（3）伴隨著新能源汽車的大力推廣及節能減排相關法規的要求，輕卡及載重更大車輛匹配變速器會成為趨勢。

參考文獻

[1] 陳金世.先進電動汽車技術[M].北京：化學工業出版社.2007.

[2] Iqbal Husain. Electric and Hybrid Vehicles[M].Akron：Taylor& Fran -cis Group，LLC.2012.

[3] 姬芬竹，高峰，周榮.純電動汽車傳動系參數匹配的研究[J].汽車科技，2005（6）：22-25.

[4] Harald Naunheimer，Bernd Bertsche.Aurtomotive Transmissions[M]. Berlin Heidelberg：Springer.2011.