兩擋位純電動汽車建模與仿真分析

王 旭，申彩英，楊 俊，劉 彬

（遼寧工業大學 汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121000）

引言

由于國家政策的大力支持，我國電動汽車行業得到了快速發展，但是現階段電動汽車續駛里程、能耗問題一直是汽車廠商亟待解決的問題，對電動汽車傳動系統進行合理的結構設計及參數匹配能夠提高汽車的性能[1]。隨著技術的發展與人們對生活環境的要求越來越高，純電動汽車受到廣泛應用，純電動汽車噪音低，舒適性好，對環境污染低。但是如何提高整車的運行效率，提高能源利用率，發揮更好的動力性，提高經濟性是研究的方向，本文設計了搭載兩擋變速器的純電動汽車，利用cruise 軟件建模仿真，分析其動力性、經濟性。

1 整車參數與性能指標

本文以某款純電動汽車為參考車型，確定其基本參數與動力總成數據，對兩擋變速器的速比進行計算，速比要滿足整車的最大爬坡度要求與最高車速要求。

1.1 整車參數與性能指標

表1 整車參數與性能指標

1.2 動力總成參數

純電動汽車的動力來源只有電動機，電動機的型號、類型與參數匹配的合理性都影響著整車動力性，電機的額定轉速與峰值轉速影響著整車加速性能，峰值扭矩則決定著最大爬坡度。該車電池選取鋰離子電池，鋰離子電池具有更高的能量比、能量體積比；電壓高，單節鋰電池電壓約等于三只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯電壓；自放電小可長時間存放，目前鋰電池在電動汽車上得到廣泛應用，為保證汽車有足夠的續駛里程，并且確保電池不過放電，延長蓄電池循環使用壽命，降低整車運行成本，提高整車經濟性，蓄電池的容量要滿足整車運行要求。

表2 整車動力總成參數

2 純電動汽車兩擋速比計算

純電動汽車的動力性能設計必須滿足動力總成提供給車輪的驅動力Ft能克服車輛在行駛過程中產生的阻力，汽車的行駛阻力是指行駛過程中與路面產生的滾動阻力Ft、空氣阻力Fw、坡道阻力Fi、加速阻力Fj[2]。

2.1 擋位數的選擇

通過前面分析，新能源純電動汽車的傳動比要考慮兩方面的要求，一要滿足整車在爬坡工況有足夠的動力爬坡，二要滿足汽車最高車速要求，因為純電動汽車電動機具有較大的調速范圍與過載特性，所以一般情況下純電動汽車擋位數不宜過多，本文設計為兩擋位，如果擋位數過多，變速機構會復雜，增大整車重量，增加成本，傳遞效率降低，使整車成本增大。

2.2 最大傳動比的計算

最大傳動比的計算主要考慮汽車運行在爬坡工況，取性能指標最大爬坡度20%，以20 km/h 車速爬坡計算最大傳動比：

式中imax為最大傳動比，r為滾動半徑，v為爬坡車速，Tmax為最大轉矩。計算得imax為4.42。

2.3 最小傳動比的計算

最小傳動的計算主要考慮最高車速，最高車速取汽車在平坦良好的路面能夠達到的最高設計車速。

式中imin為最小傳動比，nmax為電機最高轉速，Vmax為最高車速。計算得imin為6.6。

2.4 傳動比設計匹配

汽車變速器各擋的傳動比以等比級數分配[3]，本文變速器擋位設計為兩擋，參考同級車與設計經驗，q 值取1.37，各擋比例為：

式中q為各擋之間的公比。

論文設計為兩擋變速器，主減速比為4，一擋傳動比為1.625，二擋傳動比為1.186。

3 基于cruise 的整車建模仿真

3.1 整車模型搭建

利用cruise 軟件搭建單級主減速器純電動汽車與兩擋純電動汽車整車模型，完成機械、電氣與通信總線的連接，完成變速器速比的設定，換擋策略的設計，本文依據車速進行換擋。

圖1 兩擋純電動汽車整車模型

圖2 變速器速比設定

表3 仿真結果對比

3.2 仿真結果分析

根據采用單級主減速器純電動汽車與兩擋純電動汽車整車模型進行仿真，得到仿真曲線。

圖3 單級主減速器循環工況仿真

圖4 兩擋位變速器循環工況仿真

圖5 單級主減速器加速性仿真曲線

圖6 兩擋位變速器加速性仿真曲線

動力性分析：兩種方案最大爬坡度幾乎持平，0～100 km/h 加速時間兩擋位純電動汽車略長，主要因為1 擋傳動比略大，使加速時間略微增加，兩擋位純電動汽車最高車速高于單級主減速器純電動汽車，提高了汽車的動力性能。

經濟性能分析：運行NEDC 循環工況，兩擋位純電動汽車蓄電池SOC 值從初值95%下降到86%，滿足續駛里程且電池不過放的要求，NEDC 工況兩擋位純電動汽車耗電量為1.496 kwh，單級主減速器純電動汽車耗電量為1.664 kwh，通過參數對比，兩擋位純電動汽車耗電量低于單級主減速器汽車，降低了運行成本，提高了整車經濟性。

4 結語

隨著污染的加劇與能源需求的提高，純電動汽車會得到更廣泛的應用，在電池與電機參數確定的情況下，如何更好地發揮整車性能與降低運行成本是研究的方向，本文設計了兩擋位變速器的速比，利用cruise 軟件搭建整車模型，完成總線的連接，設計換擋策略，設置循環工況仿真任務、爬坡工況任務，通過對比仿真分析結果，得出結論，采用兩擋位的純電動汽車有利于提高整車經濟性，動力性指標有所提高，滿足整車參數的設計匹配。