变速器设计对电动汽车性能的影响 - 图文

重庆交通大学二O一一届毕业设计（论文）·译文

Mar．2010，Volume 4，No．3(Serial No．28)

Journal of Energy and Power Engineering，ISSN 1 934-8975，USA

变速器设计对电动汽车性能的影响

Q．Ren，D．A．Crolla and A．Morris InstituteforAutomotive andManufacturingAdvancedPractice《AMAPj University ofSunderland,lndustryCentre SunderlandSR53XB，UK

Received：December 8，2009／Accepted：January 18，2010／Published：March 30，2010

摘要：这篇论文旨在建立一种简单的电动汽车模型，并预测在标准行驶循环条

件下传动比变化和固定时的能量消耗，显著提高能源利用率。一般电动汽车动力传动系统是用Matlab／Simuli中的QSS工具包建模。当时的电动汽车装有不同的变速器与不同层次的复杂性。仿真研究表明在六工况标准行驶循环的能量消耗。新兴结论表明，在标准行驶工况下，装有可变传动比变速器可降低整体能源消耗大约5%-12%。然而，有很多现实的考量，必须权衡利弊。本文主要讨论以下几方面的影响，比如：变速器效率、附加重量、成本与复杂程度、驾驶性能影响和提高紧凑性的可能。

关键词：电动汽车、变速器、效能。 1介绍

当制造商和世界各国政府似乎对电动汽车有很大的兴趣，当前对电动汽车的兴趣水平也很难被夸大【1】。对电动汽车的历史观点是一段引人入胜的工程故事；很少有人知道，电动汽车先于内燃机汽车出现并在十九世纪末实现商业化【2】.在1899年，甚至举行了电动汽车路上速度世界纪录，电动汽车是第一辆超过1mile/minut的汽车。此时，在特定的功率输出下，仅比较三种动力装置-电动机、内燃机、蒸汽机的大小和复杂程度，毫无疑问电动机是最好的。然而，电动汽车的缺点是充电电池的储能有限；汽油的比能大约是最初铅酸蓄电池的300倍还要高。有几篇优秀的文献【1-5】记述了电动汽车发展到今天的过程。 二十一世纪初期，由于政治压力和科学技术的发展重新燃起了对电动汽车的兴趣，即由于对全球温室气体排放的限制和蓄电池比能、能量密度、充电性能的改善【3】。

目前大部分电动汽车采用单一固定传动比的变速器，这种变速器通常包括差速器【4,5】。很多发动机有两个性能，间歇高功率曲线和低功率连续曲线，散热影响发动机性能，而电动机可以提提高这一性能。特别是从低速高扭矩也可以很好的加速，连续功率扭矩曲线控制着汽车的最高车速，所以通常是由减速器控制这种选择。

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然而，从大量能量高效转化的研究中的到一个结论，必须从每一个可能的途径中获得少量能量。关键是只有把所有获得的能量加在一起时，电动汽车才显示出明显的优势。一个经典案例研究，强调这种结论是比较两种截然不同的方法，一种高效能汽车-深度混合，比如：普瑞斯，另一种是当前传统的柴油机汽车，比如：宝马118d。丰田普瑞斯是高度复杂的混合动力设计，在阿特金森循环的基础上配置了内燃机，加上两个电动机和一个独特的行星齿轮变速器。宝马118d采用了改进后的柴油机，在部分工况下更加高效。还采用了传统变速器、启动停止管理和一些再生能力。这两种汽车的能量都来源于燃料输入—虽然他们用不同的方法管理能量流动，但关键是它们都支持核心问题，研究高效能汽车是依靠把所有追求效率的方法都集合在一起。

回到电动汽车，探讨能否增加电动机效能利用，通过使用中间变速器电动机可更多的在高效区域内运行。本文旨在建立一个简单的电动汽车模型并预测在标准行驶循环条件下传动比变化和固定时的能量消耗，以了解这种方法是否能够提高效能。

2建模

用QSS工具包建立电动汽车性能模型【6,7】。这是一个基于仿真模块和适当的参数文件的准静态仿真软件包，可以在任何Matlab／Simulink环境中运行。汽车模型本身很简单如图所示。这是一款传统的插入式电动汽车外加一个变速器。

汽车参数在图表1中显示出来；它们的目的是代表一个典型的通用汽车而不是任何具体的设计。

参数项 汽车总质量，kg 车轮直径，m 空气阻力系数 迎风面积，平方米 滚动阻力系数 最大扭矩，N.m 最大转速，rad/s 电机功率，kw 最大传动比 数值 950 0.5 0.22 2 0.008 240 800 40 3.5

无变速器 CVT 4速 3速 2速 百公里能（kw.h/100km） 8.33 7.89 7.96 8.01 8.10 效率提高% -- 5.28 4.45 3.76 2.71 表2在 NEDC行驶循环下采用不同变速器的 汽车能耗

表1 车辆参数

向模型输入一个标准的行驶循环-NEDC循环，NEDC循环应用广泛，计算方案

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基于步进方式，计算平衡条件并采集数据，在最后一循环画图。模型假设保存在开始程序中，没有考虑变速器和蓄电池的损失。人们关注的是电机高效工作图，主要问题是在高效点附近工作能否提高整体能源利用。

图1 电动汽车模式方框图

3仿真结果

3.1固定传动比电动汽车

结果一如图2所示，没安装变速器电动汽车的基线状态。在NEDC循环中，电机的扭矩速度图上的没一点都提供一个解决方案。循环规定输入从t=50s到t=1220s，所以这张图上有1170个点。图的上半部分是在电动机传递动力的条件下形成的，图的下半部分表示电动机作为发电机给蓄电池充电。顶部的效率线被定义为输入所需功率/输出功率；底部效率线被定义为再生功率/输入功率；从0到166.7rad/s电动机产生的最大扭矩是240N*m，这点之后如最大功率线示。

3.2无级变速电动汽车

假设变速器是无级变速，可以选择任何传动比；事实上应用上限和下限，传动比可以是0.6到4中的任意值.计算方案是一个高效简化了的优化策略。在行驶循环工况的任何情况下电动机所需的扭矩和速度都被优先计算。此外还需要一个搜索途径，在扭矩速度图上找到一个最高效的点和适当的传动比，电动机可提供必需的转矩和转速以驱动汽车。进一步假设变速器响应迅速可满足变速需求。因此，结果如图3示有效地描述了在NEDC行驶循环中电动机的使用优化。图3示电动机最大效能标称线。为获得如图4所示的传动比可通过算法选择传动比。

3.3多速变速器电动车

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图2 无变速器的电机扭矩转速图 图3 装配CVT的电机扭矩转速图

图4 优化传动比 图5 装有4速变速器的电机扭矩转速图 假设在四速变速器情况下如图5示。根据图4主观的选择传动比，选择传动

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比2.5、1.5、1和0.8.实际上，传动比是自动选择的而不是向传统内燃机汽车一样手动选择。以下是一个简化的传动比选择策略：

对于等速运行工况，选择最高档（低传动比）。

当加速时传动比根据转速而定，例如上述传动比速度的选择范围是0-100,100-200,200-300和300-800rad/s。它表明这不是最佳的，但这种方法用以了解能量的敏感性，预测实际设计问题。

然后重复其他两个变速器：传动比为2、1和0.8的三速和传动比为2和0.8的两速变速器它们的速度范围分别是0-300和300-800rad/s，电动机在两变速器系统中的运行点如图6所示。

图6 装配2速变速的电机扭矩转速图

在NEDC行驶循环中不同变速器系统的相关能源消耗如表2所示。装一个附加的变速器的改善，在NEDC行驶循环中是非常合适的。实际上，这种改善会被附加变速器的损耗抵消，这种损耗起初可能会被忽略。齿轮式变速器的一个潜在优势是可能改善汽车的操作性能。例如，装有齿轮式变速器的汽车0-100km/h的加速时间是18.3s而装有两个齿轮式变速器的汽车加速时间减小到12.4s。最高时速183km保持不变。

简单齿轮式变速器系统有利于减小电动机的尺寸，驾驶性能仍然保持不变。这是否是一个现实的议题将在很大程度上取决于车辆的具体应用。电动机详细性能的选择是车辆性能质量的关键，比如滚动阻力和空气阻力。尽管NEDC循环广泛应用在标准行驶循环工况，电动机的峰值功率仅为21.9kw。实际上，为了提

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