新能源电动汽车两档变速器的设计与实现

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升，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升。主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，保留原车悬挂系统，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—2012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、驱动电机参数确定

对电机进行选择时，要确保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。如果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—2012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，确定电机额定功率为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 传动系传统比确定

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为达到的最高车速，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才能实现。

这种工况下，存在的主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如果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是能够达到的最高车速，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能实现更高的车速和爬坡度，这就要求电池的性能也要得到提升。

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到的最高车速，最大爬坡坡度达到20%以上，动力性能得到有效满足。

如果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，并且最大爬坡度也能够达到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，对电池性能的要求大幅降低。

3.4 3类变速器对比

根据以上分析，电机如果选择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，能够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升，可对变速器进行改进，采用五挡变速器，能够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，实现研发成本的降低，同时五挡变速器对电池、电机的要求都不高，是未来电动汽车发展的主要方向。

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。