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新能源电动汽车两档变速器的设计与实现

一、纯电动汽车两挡自动变速器传动比优化及换挡品质研究
摘 要：
汽车传动系统中，变速器作为关键构件，直接影响整车性能。为了使电动汽车驱动电机的效率得到提高，对固定速比电动汽车进行改动，采用两挡传动比方案，促使驱动电机工作效率提高，进而使整车动力性能及经济性能得到提高。重要对纯电动汽车两挡自动变速器传动比优化及换挡品质进行研究。

1、整车基本参数
基于传统微型车对电动汽车进行研究，保存原车悬挂系统，动力电池采用锰酸锂电池，驱动电机采用永磁同步电机。
综合研究后，整车参数为：满载质量1 350 m/kg，机械传动效率0.9，轮胎滚动半径0.258 r/min，迎风面积1.868 A/m2，空气阻力系数0.31.
根据国标GB/T 28382—2023标准及市场定位，整车动力性指标如下：30 min最高车速≥80 km/h，最大爬坡速度≥20%，4%坡度的爬坡车速≥60 km/h，12%坡度的爬坡车速≥30 km/h，工况法行驶里程≥100 km。
2、驱动电机参数拟定
对电机进行选择时，要保证电机最大限度地工作在高效区，同时也要考虑电池组的峰值放电倍率。
2.1 驱动电机功率在最高车速时计算
以最高车速在水平道路上行驶，对加速阻力忽略不计，设风速为0，那么电机的输出功率即为

· P1为最高车速时驱动功率；
· ηt为机械传动效率；
· mg为整车满载质量；
· f（u）为滚动阻力系数；
· umax为最大车速；
· Cd为空气阻力系数；
· A为迎风面积。
其中：
f（u）=1.2（0.009 8+0.002 5[u/（100 km/h）]+ 0.000 4[u/（100 km/h）]4）.
按照实际需求及国际标准，选择100 km/h车速，根据式（2），计算结果为0.015 24，代入式（1），计算结果为P1=13.2 kW。假如车速符合国家标准规定的不低于85 km/h，那么电机的功率还可以选择更小的。
2.2 驱动电机功率在最大爬坡时计算
对爬坡行驶时所需要的功率进行计算，忽略空气阻力功率与加速阻力功率，那么电机输出功率可计算出f（u）=0.012 7，根据式（3）可计算出P2=26 kW。

· P2为最大爬坡度行驶功率；
· i为爬坡度；
· ua为爬坡时最低车速。
2.3 加速性能计算驱动电机峰值功率
假设风速为0，在水平道路上，电动汽车输出的最大功率位于整车加速过程的末时刻。

· P3为匀加速末时刻所需的最大功率；
· ta为匀加速时间；
· ua为匀加速时末速度。
根据GB/T 28382—2023标准可知，ta取值为10 s，根据式（2）和式（4）可计算出P3=21.3 kW。
根据式（1）计算，拟定电机额定功率为15 kW，由式（3）和式（4）可知，电机峰值功率选定为30 kW。
为了满足成本因素与实际需求，最终选择电机额定功率15 kW，峰值功率30 kW。
3 传动系传统比拟定
在行驶条件和电机特性不发生改变的情况下，对比以下几种传动比的变速器使用动力性能，实现对传动比的优化，使换挡品质得到提高。
3.1 单一传动比动力性能
为了兼顾最大爬坡度及最高车速，固定传动比选择为6.963，则其阻力与动力平衡，85 km/h为达成的最高车速，12%的坡度为最大坡度。为使爬坡性能得到满足，将电机峰值功率加大到45 kW，转速提高到9 000 r/min才干实现。
这种工况下，存在的重要问题是需要提高电池放电功率，提高减速器齿轮润滑性，同时还会对倒挡时减速器输入轴反转带来一定的影响。
3.2 两挡传动比的动力性能假如电机的功率输入相同，两挡变速器的高挡传动比与低挡传动比分别为6.5和10，通过计算，可以得到阻力与动力平衡图。

90 km/h是可以达成的最高车速，而最大爬坡坡度达不到20%，只能接近。所以，需要驱动电机输出更高的功率才干实现更高的车速和爬坡度，这就规定电池的性能也要得到提高。
3.3 五挡变速器传动比的动力性能
采用15 kW的额定功率时，五挡变速器的最大传动比与最小传动比分别为3.538和0.78，主减速传动比3.765，倒挡速比3.454.在15 kW额定功率条件下，96 km/h为五挡变速器可以达成的最高车速，最大爬坡坡度达成20%以上，动力性能得到有效满足。
假如行车速度只需要满足85 km/h的最低标准车速，采用11 kW的额定功率电机，则五挡变速器的最大传动比与最小传动比分别为5.494和1.033，主减速传动比4.314，倒挡速比3.583.在11 kW额定功率条件下，车速最高可满足85 km/h的需求，并且最大爬坡度也可以达成20%。
两挡时，电池放电功率需求为30 kW，放电倍率为1.28；而采用五挡时，电池只需要提供15 kW的放电功率就可以满足动力性能，放电倍率为0.64.所以，使用五挡变速器时，对电池性能的规定大幅减少。
3.4 3类变速器对比
根据以上分析，电机假如选择15 kW额定功率，则3种变速器的最高车速及最大爬坡度如表1所示。
采用15 kW电机与五挡变速器配合，可以满足最高车速与最大爬坡度的需求。从能耗方面来看，同等工况条件下，五挡变速度输出功率最低为11 kW，两挡变速器最低需要输出15 kW，单挡变速器则需要输出45 kW。综合对比可见，五挡变速器的能耗最低。

4 结论
通过本文研究可知，纯电动汽车两挡自动变速器传动比优于单挡传动比，但与五挡传动比相比稍差。
所以，对于两挡变速器的纯电动汽车而言，为了提高传统比，实现最大车速及最大爬坡度的提高，可对变速器进行改善，采用五挡变速器，可以实现汽车性能的提高。
现阶段，五挡变速器已经实现了产业化发展，而两挡变速器研发成果显然还不明显，所以，五挡变速器可以直接应用现有技术及成果，实现研发成本的减少，同时五挡变速器对电池、电机的规定都不高，是未来电动汽车发展的重要方向。
二、浅谈新能源电动汽车两档变速器设计与实现的分析
1、两档变速器设计理论基础
现有常用的电动汽车两档变速器有AMT结构和DCT结构。
采用AMT结构时，需要使用同步器，此时换挡冲击较大。而采用DCT结构时，由于变速箱只有两个档位，此时双离合器结构会使成本增长很多。
AT自动变速器重要有两种类型，一种为辛普森式行星齿轮变速器，一种为拉维纳式行星齿轮变速器。
2、设计原理
为使变速器设计更加紧凑，所设计的两挡变速器采用行星齿轮式两挡变速原理，将差速器进行集成设计，取消了传统AT变速器上的液力变矩器和机械油泵，采用一个小型的电动油泵为系统提供液压动力，通过两个高速开关电磁阀分别控低速挡制动器B1和高速挡离合器C1。
当B1接合、C1松开时，可以得到一个比较大减速比：当B1松开、C1接合时，则整个行星架输出速比为1：当B1， Cl均分离时，则可以实现空挡运营。
3、两档变速器传动速比设计
一档在常用低速段电机要高效率的运营以及要满足汽车爬坡功能的规定，二档在满足常用高速运营段时电机要保持在高效运营区，尽量减少此时的能源浪费，这是两档变速器速比选择的基本条件。
档位切换过程中的平顺性控制问题也是速比选择过程中的不容忽视的重要一环，过小的2档速比以及过大的1档速比也许导致输出总功率不平衡，影响平顺性。
4、电机参数选择
驱动电机作为纯电动汽车动力源，直接决定整车的性能。相对于其他传统电驱动系统，纯电动汽车驱动电机应当有如下特点。
(1)高功率密度、高转矩密度：
(2)低速高转矩和高速恒功率的宽调速范围：
(3)较高的驱动效率、低噪声、低成本：
(4)在恶劣环境下可靠工作：
(5)能频繁起动、停车、加减速，对转矩控制的动态规定比较高。
己知参数：
①传动比i=6.5(单级变速器传动比)，机械传动效率ɳ=0.95，驱动轮半径r =0.283m。
②滚动阻力系数f=0.014。
③空气阻力系数GD =0.32。
④车辆迎风面积A=1.91。
⑤整车质量为1500kg。
⑥设定爬坡速度25km/h，爬坡度25%，角度十四度。
⑦设定高速匀速行驶的速度为110km/h。
通过计算，车辆爬坡时电机的峰值输出功率能达成30kW，峰值转矩能达成176N·m即可。
电机爬坡时效率按75%计算。需要的电机输入功率为P/0.75。车辆以最高速行驶时电机输出的功率为15kW，转矩为24N·m，转速为6000r/min，以上参数为无风抱负状况下的计算参数。
根据无刷直流电机的过载特性和加速规定特性，要预留有部分后备功率，选额定输出功率为25kW的无刷直流电机，可满足高速情况下的功率输出，爬坡时电机过载到38kW的峰值功率，因此，选用额定功率25kW。峰值功率38kW。最高转速6000r/min，峰值转矩180N·m电机。
5、换挡设计
为了在换挡过程中保持变速器的输出转矩平顺变化，必须精确控制驱动电机的转矩和离合器的滑摩。控制策略涉及在转矩相应用线性前馈控制器控制驱动电机和离合器，而在惯性相应用PID控制器控制驱动电机，使离介器卞从动盘的角速度差跟随盼望的曲线。
根据转矩相和惯性相传动系的动力平衡方程和保持变速器的输出转矩平顺变化，以及无动力中断的击求，推导出转矩相和惯性相时变速器输出转矩的公式，从而拟定了转矩相和惯性相的控制策略。
以车速和油门开度为换挡参数。采用与传统汽车自动变速换挡规律获取相同的方法，当汽车挂1挡运营在某一油门开度下时，取该油门开度两挡效率曲线的交点相应的车速为升挡车速，假如没有交点则取1挡效率曲线的末端车速为升挡车速；当汽车在2挡运营时，为了防止循环换挡，降挡车速则是在升挡车速的基础上进行一定的换挡延迟。
通过实验验证，带二档变速功能电动汽车与传统电动的汽车相比最高车速及最大爬坡度都有了明显的提高。最高车速提高了22.56km/h，而在经济性上，采用两档变速器使整车的能耗减少了6%，续驶里程延长了7%。
采用两档变速器，可以使电机更多地工作在高效区，其因素是采用两档变速器时，电机的工作转矩比采用固定档减速器小得多，这样就减小了电机的工作电流，减少了电机的烧组损耗，提高了电机的工作效率。