基于两挡变速器的纯电动汽车动力系统参数匹配.pdf

第5期（总第2 40 期）2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O M A T I O NNo.5Oct.文章编号：16 7 2-6 413（2 0 2 3)0 5-0 0 12-0 3基于两挡变速器的纯电动汽车动力系统参数匹配雷楠南，杨政威（三门峡职业技术学院汽车学院，河南三门峡47 2 0 0 0)摘要：对某燃油型小型多用途汽车进行了纯电动设计改造，在此基础上系统地介绍了电动汽车动力系统和传动系统参数的确定方法。动力系统参数主要涉及电机功率、转矩和转速以及电池容量的计算选择；传动系统参数主要是确定两挡变速器的传动比。通过设计计算，在仿真软件中对动力系统和传动系统参数进行了匹配，并验证了所选择参数的合理性。关键词：电动汽车；动力系统；两挡变速器中图分类号：U469.72文献标识码：A0引言纯电动汽车因其具有良好的节能环保特性而获得广泛的市场应用。由于纯电动汽车的动力源为电机，而电机的低速、中速、高速区间均很宽泛，所以可通过实现动力输出与速度的良好匹配来改善驾驶性，因此，为了避免增加车重、降低传动效率、增加成本，一些纯电动汽车采用固定速比变速器来增加电动汽车启动时的扭矩门。但是，这种固定速比变速器传动比大，导致车辆巡航状态处于较高的临界点，影响车辆的经济性和舒适性 2。由此，为了提升车辆高速行驶时的动力传递效率，研发结构紧凑的两挡或多挡变速器，有助于提高电动汽车的整车动力性能。本文在某款燃油车的基础上进行纯电动化设计改造，通过对采用弧齿轮的两挡变速器进行合理的传动比设计，优化电机输出扭矩和运行状态。1原车参数及改型设计指标原车为燃油型小型多用途汽车，其整车参数如表1所示。原车为前置前驱车型，为拓宽使用场景并考虑传动系统的简化，将该微型车传动方案更改为后置后驱，驱动电机布置在后驱动桥附近，经过弧齿轮变速器将动力传递给后驱动轮。重新匹配后的纯电动微型车总体布置如图1所示。表1燃油型小型多用途汽车整车参数满载质量m(kg)1225NEDC(NewEuropeanDriving Cycle)工况百公里油耗（L)发动机最大扭矩（Nm）风阻系数Ca主减速比综合考虑城市路况及轻度越野通行需求，结合动力性指标的基本要求，电动汽车主要的设计参数指标见表2。米河南省高等学校重点科研项目（2 2 B460021）收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 3；修订日期：2 0 2 3-0 6-2 6作者简介：雷楠南（198 3-），男，河南灵宝人，副教授，硕士，研究方向：数控技术、机械设计制造研究。2动力系统及传动系统参数匹配纯电动汽车动力系统区别于燃油车之处为动力源由发动机改为电动机，通过电池为电机提供能量，由电机通过变速器及主减速器来驱动车辆行驶。因此，动力系统中的电机和电池参数及传动系统中传动比等参数需要根据电动汽车设计指标进行计算确定。车轮DC-AC转换器车轮图1重新匹配后的纯电动微型车总体布置表2 电动汽车主要设计参数设计指标最大爬坡度(%)纯电动最高车速（km/h）NEDC工况最大续航里程S（k m）(050km/h）加速时间（s）2.1电机和电池参数计算设计计算主要涉及的参数有电机功率、转速和转矩的确定；动力电池的电压和容量的确定。轴距(mm)26516轮胎规格145发动机最大功率（kW）0.29汽车迎风面积A（m）6滚动阻力系数于车轮动电动两挡变速器及主减速器车轮目标值3512030062.1.1电机参数计算确定电动汽车的驱动电机是整车唯一的动力输出装205/50R16置，在确定其最大功率时需结合其使用场景，根据功率平衡理论来计算确定。最大功率确定的原则是电动机的最大功率应满足最高车速、最大爬坡度以及最短加83速时间的要求。在计算最高车速行驶需满足的功率2.1时，忽略加速阻力后可得整车功率平衡方程如卡的：0.02(1)73600其中：Pm为最高车速时的电动机功率，kW；g 为重力2023年第5期加速度，g=9.8N/kg;n为传动系统机械效率，一般取=0.9;mx为最高车速，Umax=120km/h。将各参数代人式（1)计算得电机功率Pm=24.22 kW。电动汽车在城市道路行驶过程中，频繁启停是经常遇到的工况，如红绿灯起步、停止过程。因此，需要考虑电动汽车起步到正常行驶时间尽可能短，即由静止加速到行驶速度的过程要快。根据城市道路日常行驶情况可知，车辆由静止加速到正常行驶速度50 km/h工况，在不考虑坡道阻力时可得功率平衡方程如mgfu.+CaAu?Pma=3600m76140m3.600m其中：Pm2为由静止加速到正常行驶速度的功率，kW；om为旋转质量转换系数，一般为1.11.4，根据经验取m=1.2;u,为实时车速，km/h。将各参数值代人式（2)计算得Pm2=45.2kW。考虑地下车库以及城市坡道，将电动汽车最大爬坡度工况设定为满载时以30 km/h爬上35%的坡道，此时功率平衡方程为：(3)3600n76140元3.6 0 0 m其中：为爬坡最大坡度；p为爬坡时车速，km/h。将各参数值代入式（3)计算得Pm3=38.5kW。综合考虑上述几种情况，为保证纯电动汽车的驱动电机能够满足行驶的各种工况，选用驱动电机时，其最大功率需大于上述三种工况中计算得到的最大功率。计算得到的最大功率Pm=45.2kW,取整后最大功率Pmax二46 kW。而电机的额定功率P。通常按最高车速行驶功率Pml进行取值，由于Pml=24.22kW,取整后得P。=2 5k W。在纯电动汽车驱动电机的选择过程中，根据电机的制造难度分为低速、中速和高速电机。其中，低速电机调速范围小，但是因其制造成本低、便于维修等优点被广泛应用于小型车。低速电机的转速范围一般为3000r/min6 50 0 r/m in，多用于城市工况运行的小型纯电动汽车。根据整车性能指标与系统传动比可初步计算得到最高转速为：nmax0.377其中：r为车轮滚动半径，根据车轮规格可计算出r二0.31 m。将各参数代人式（4）计算得最高转速nmax=6161 r/min。考虑设计余，取nmax=6300r/min。参考同级别车型取恒功率扩大系数为2，则额定转速n。=3 150 r/m i n。在确定了电机功率和转速的基础上，还需计算确定电机的额定转矩及最大转矩。电机的转矩与功率和转速有关，已确定了额定功率和额定转速，则额定转矩T。和最大转矩Tmax的计算公式如下：T.-9neT.ne=1 Tmaxne其中：入为电机过载系数，一般取值为2。考虑车型为小型多功能运动型车辆，将各参数代人式(5)、式（6)计算并取整得T。=7 6 Nm、T ma x=152 N m。2.1.2动力电池参数确定动力电池参数的选择关系到汽车的动力性能和续航里程，此外还需考虑电池的安全性以及使用过程中雷楠南，等：基于两挡变速器的纯电动汽车动力系统参数匹配来确定电池总容量C如下：1ds-8mUsdtCaAu+mgu,sinaUmaxi9550P。:13容量的衰减。动力电池参数主要是要确定电池电压和容量，在相同输出功率条件下，如果额定电压过高则需要串联较多的单体电池，蓄电池的电压不均性影响会放大，且对车载电器电压防护等级要求增加，因此电池电压的选择同时关系到电机恒功率的调速范围。参考同级别车型及电池重量，选择电池组电压为36 0 V。因为电池容量关系到整车的续航里程，所以在确定电池容量时，可结合电动汽车行驶情况，考虑采用60km/h等速工况作为评价指标，通过功率平衡方程(7)(2)C=Pa(s/nU其中：Pm为匀速行驶时整车所需功率，kW;。为等速巡航车速，此处为6 0 km/h;U为电池组电压，V；n a 为电池放电系数，此处取0.8。将各参数值代人式（7)、式（8)计算并考虑设计余，最后选取电池容量C=110Ah。2.2传动系统参数设计传动系统的匹配关系到整车的动力性能，该车型在纯电动化匹配过程中，动力系统为动力电池和电机，考虑到其使用工况以及合理进行主减速比的匹配原则，通过增加两挡变速器以扩展扭矩范围 7。为增加变速器的寿命和减小高速运行时的噪声，选择圆弧齿线圆柱齿轮作为传动齿轮。在主减速比确定的情况下，两挡减速器的二挡减速比由驱动电机最高转速和车速来计算确定！mi0.377rnmax0.377riUmax将各参数代入式(9)计算得0.5i21。一挡减速比i的确定需要根据车辆的最大爬坡度和电机的峰值转矩来计算确定：TEimfortmRfsinar.TmaxionTmaxion其中：为路面附着系数，一般取=0.75。将各参数代人式(10)计算得1.55 i3.4。考虑电动汽车可能行驶的多工况状态，在确定主减速比的情况下适当增加一挡减速比，同时考虑城市(4)工况下电机转矩功率满足高速运行，适当增大二挡传动比，综合分析后初步确定两个挡位的传动比分别为i=2.6、i2 =0.9。3改型后的电动汽车模型搭建及仿真分析通过理论计算初步确定了电动汽车的电机、电池等参数，为验证所选参数是否满足设计目标，可通过Cruise软件进行整车性能的仿真分析。Cruise软件采用模块化建模，建模时可将设计模块拖拽到工作区域，进行参数设定、机械连接和信号连接，然后添加仿真任务即可进行仿真结果分析。3.1仿真模型搭建仿真模型按照改型后的动力系统进行搭建，分别(5)在仿真软件中对动力系统和传动系统的零部件重新设置。在对整车参数设置时，务必考虑动力系统的改变(6)对满载质量的影响，搭建好的仿真模型如图2 所示。3.2仿真参数设置进行电池模块参数设置时，根据计算数据设置电池单体电压为3.6 V、10 0 块电池串联一组，然后依据电池容量再进行并联，工作温度为2 5，根据经验值设置充放电特性和电池阻抗。电机模块设置时根据计算出的数值进行功率和扭矩参数的设定。同时为计算车辆的经济性，在计算任务中添加车辆续航里程和百(8)(9)iUmax(10)14公里电耗。PraectExpicrer机械工程与自动化NEDC工况下的仿真结果如图3所示，仿真车速可以较好地跟随设定值，速度跟随特性曲线如图4所示。通过仿真分析可知，所选的动力电池和驱动电机满足在设定工况下的动力性需求；最高车速可达到120km/h，满足设计要求。电动汽车由起步到50 km/h的加速时间为4.9s，以30 km/h速度行驶时可以达到的最大爬坡度为38.5%，满足设计要求。根据在仿真循环过程中动力电池的容量变化，通过计算可得其续航里程为30 8 km，满足续航要求。4结语对小型多用途纯电动汽车的动力系统进行了参数匹配，经过仿真分析，在NEDC工况下，车速可以较好地跟随设定值，符合要求；电动汽车加速时间和续航里程均符合设计指标要求。但是对于传动系统中变速器ASC传动比的计算和确定还不够合理，下一步还需继续深Catikpit入研究以便更好地确定两挡变速器的传动比参数值。同时，还需进一步强化圆弧齿线圆柱齿轮啮合传动的图2电动汽车仿真模型to,ua cyckeRun2023年第5期研究。Setngt1540.0kghCotstanreALAAAAAI21347255图3NEDC工况仿真结果参考文献：当前车速1顾以慧.纯电动汽车变速器参数匹配及控制策略研究期望车速D.镇江：江苏大学，2 0 15：6-10.2刘志翔.汽车动力系统发展与节能技术 J.时代汽车，(t-.y)/2022(13):13-15.3靳慧鲁，王金桥.纯电动汽车搭载两挡变速器动力系统选型研究 J.上海汽车，2 0 2 1(2）：9-10.4代青林，张中理，陈勇，等.纯电动汽车两挡双离合变速器换挡控制研究.机械传动，2 0 2 2，46（9）：1-10.门5刘博.纯电动汽车传动系统的参数匹配及优化研究 D.长春：长春工业大学，2 0 2 1：12-13.6南友飞.纯电动城市客车动力系统参数匹配优化及制动0140280420560 7008409801120时间/s图4速度跟随特性曲线Parameter Matching of Pure Electric Vehicle PowertrainBased on Two-Speed TransmissionLEI Nan-nan,YANG Zheng-wei(Automotive College,Sanmenxia Polytechnic,Sanmenxia 472000,China)Abstract:In this paper,the pure electric design transformation of a fuel-type small multi-purpose vehicle is carried out,on the basisof which the determination method of power system and transmission system parameters of electric vehicle is systematicallyintroduced.The power system parameters are mainly related to the calculation and selection of motor power,torque and speed aswell as battery capacity.The main parameter of the transmission system is to determine the transmission ratio of the two-speedtransmission.,Through design and calculation,the parameters of power system and transmission system are matched in thesimulation software,and the rationality of the selected parameters is verified.Keywords:electricvehicle;power system;two-speed transmission能量回收控制策略研究 D.西安：长安大学，2 0 2 0：9-12.7姜军霞，王岁红.纯电动汽车动力总成系统匹配技术分析J.汽车与新动力，2 0 2 2（2）：2 2-2 4.8郑锦汤，陈吉清.纯电动汽车动力系统速比优化设计 J.机械传动，2 0 1943（4)：7 9-8 2.