變速器設(shè)計對電動汽車性能的影響

Mar．2010，Volume4，No．3(SerialNo．28)JournalofEnergyandPowerEngineering，ISSN1934-8975，USA變速器設(shè)計對電動汽車性能的影響Q．Ren，D．A．CrollaandA．MorrisInstituteforAutomotiveandManufacturingAdvancedPractice《AMAPjUniversityofSunderland,lndustryCentreSunderlandSR53XB，UKReceived：December8，2009／Accepted：January18，2010／Published：March30，2010摘要：這篇論文旨在建立一種簡單的電動汽車模型，并預測在標準行駛循環(huán)條件下傳動比變化和固定時的能量消耗，顯著提高能源利用率。一般電動汽車動力傳動系統(tǒng)是用Matlab／Simuli中的QSS工具包建模。當時的電動汽車裝有不同的變速器與不同層次的復雜性。仿真研究表明在六工況標準行駛循環(huán)的能量消耗。新興結(jié)論表明，在標準行駛工況下，裝有可變傳動比變速器可降低整體能源消耗大約5%-12%。然而，有很多現(xiàn)實的考量，必須權(quán)衡利弊。本文主要討論以下幾方面的影響，比如：變速器效率、附加重量、成本與復雜程度、駕駛性能影響和提高緊湊性的可能。關(guān)鍵詞：電動汽車、變速器、效能。1介紹當制造商和世界各國政府似乎對電動汽車有很大的興趣，當前對電動汽車的興趣水平也很難被夸大【1】。對電動汽車的歷史觀點是一段引人入勝的工程故事；很少有人知道，電動汽車先于內(nèi)燃機汽車出現(xiàn)并在十九世紀末實現(xiàn)商業(yè)化【2】.在1899年，甚至舉行了電動汽車路上速度世界紀錄，電動汽車是第一輛超過1mile/minut的汽車。此時，在特定的功率輸出下，僅比較三種動力裝置-電動機、內(nèi)燃機、蒸汽機的大小和復雜程度，毫無疑問電動機是最好的。然而，電動汽車的缺點是充電電池的儲能有限；汽油的比能大約是最初鉛酸蓄電池的300倍還要高。有幾篇優(yōu)秀的文獻【1-5】記述了電動汽車發(fā)展到今天的過程。二十一世紀初期，由于政治壓力和科學技術(shù)的發(fā)展重新燃起了對電動汽車的興趣，即由于對全球溫室氣體排放的限制和蓄電池比能、能量密度、充電性能的改善【3】。目前大部分電動汽車采用單一固定傳動比的變速器，這種變速器通常包括差速器【4,5】。很多發(fā)動機有兩個性能，間歇高功率曲線和低功率連續(xù)曲線，散熱影響發(fā)動機性能，而電動機可以提提高這一性能。特別是從低速高扭矩也可以很好的加速，連續(xù)功率扭矩曲線控制著汽車的最高車速，所以通常是由減速器控制這種選擇。

然而，從大量能量高效轉(zhuǎn)化的研究中的到一個結(jié)論，必須從每一個可能的途徑中獲得少量能量。關(guān)鍵是只有把所有獲得的能量加在一起時，電動汽車才顯示出明顯的優(yōu)勢。一個經(jīng)典案例研究，強調(diào)這種結(jié)論是比較兩種截然不同的方法，一種高效能汽車-深度混合，比如：普瑞斯，另一種是當前傳統(tǒng)的柴油機汽車，比如：寶馬118d。豐田普瑞斯是高度復雜的混合動力設(shè)計，在阿特金森循環(huán)的基礎(chǔ)上配置了內(nèi)燃機，加上兩個電動機和一個獨特的行星齒輪變速器。寶馬118d采用了改進后的柴油機，在部分工況下更加高效。還采用了傳統(tǒng)變速器、啟動停止管理和一些再生能力。這兩種汽車的能量都來源于燃料輸入—雖然他們用不同的方法管理能量流動，但關(guān)鍵是它們都支持核心問題，研究高效能汽車是依靠把所有追求效率的方法都集合在一起?；氐诫妱悠?，探討能否增加電動機效能利用，通過使用中間變速器電動機可更多的在高效區(qū)域內(nèi)運行。本文旨在建立一個簡單的電動汽車模型并預測在標準行駛循環(huán)條件下傳動比變化和固定時的能量消耗，以了解這種方法是否能夠提高效能。2建模用QSS工具包建立電動汽車性能模型【6,7】。這是一個基于仿真模塊和適當?shù)膮?shù)文件的準靜態(tài)仿真軟件包，可以在任何Matlab／Simulink環(huán)境中運行。汽車模型本身很簡單如圖所示。這是一款傳統(tǒng)的插入式電動汽車外加一個變速TO器。參數(shù)項數(shù)值汽車總質(zhì)里，kg950車輪直徑，m0.5空氣阻力系數(shù)0.22迎風面積，平方米2滾動阻力系數(shù)0.008取大扭矩，N.m240取大轉(zhuǎn)速，rad/s800電機功率，kw40取大傳動比3.5是任何具體的設(shè)計。百公里能(kw.h/100km)是任何具體的設(shè)計。百公里能(kw.h/100km)效率提咼％無變速器8.33--CVT7.895.284速7.964.453速8.013.762速8.102.71表2在NEDC行駛循環(huán)下采用不同變速器的汽車能耗表1車輛參數(shù)向模型輸入一個標準的行駛循環(huán)-NEDC循環(huán)，NEDC循環(huán)應用廣泛，計算方案

基于步進方式，計算平衡條件并采集數(shù)據(jù)，在最后一循環(huán)畫圖。模型假設(shè)保存在開始程序中，沒有考慮變速器和蓄電池的損失。人們關(guān)注的是電機高效工作圖，主要問題是在高效點附近工作能否提高整體能源利用。vehicleAcc&'erationTorQu自-■e-duK&dPdwerrequiredG凸旺PUfpuLvehicleAcc&'erationTorQu自-■e-duK&dPdwerrequiredG凸旺PUfpuLMdC&r□陽LUspeed<5亡占旳5flVt￡n4iwqijc?圖1電動汽車模式方框圖di止口uttorque3仿真結(jié)果固定傳動比電動汽車結(jié)果一如圖2所示，沒安裝變速器電動汽車的基線狀態(tài)。在NEDC循環(huán)中，電機的扭矩速度圖上的沒一點都提供一個解決方案。循環(huán)規(guī)定輸入從t=50s到t=1220s,所以這張圖上有1170個點。圖的上半部分是在電動機傳遞動力的條件下形成的，圖的下半部分表示電動機作為發(fā)電機給蓄電池充電。頂部的效率線被定義為輸入所需功率/輸出功率；底部效率線被定義為再生功率/輸入功率；從0到166.7rad/s電動機產(chǎn)生的最大扭矩是240N*m,這點之后如最大功率線示。無級變速電動汽車假設(shè)變速器是無級變速,可以選擇任何傳動比；事實上應用上限和下限,傳動比可以是0.6到4中的任意值.計算方案是一個高效簡化了的優(yōu)化策略。在行駛循環(huán)工況的任何情況下電動機所需的扭矩和速度都被優(yōu)先計算。此外還需要一個搜索途徑,在扭矩速度圖上找到一個最高效的點和適當?shù)膫鲃颖?電動機可提供必需的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動汽車。進一步假設(shè)變速器響應迅速可滿足變速需求。因此，結(jié)果如圖3示有效地描述了在NEDC行駛循環(huán)中電動機的使用優(yōu)化。圖3示電動機最大效能標稱線。為獲得如圖4所示的傳動比可通過算法選擇傳動比。多速變速器電動車(UJ工二nb呂J.一25% 3D0 400(UJ工二nb呂J.一25% 3D0 400-ffiG S0CEledJkMetarSpeediracfs)圖2無變速器的電機扭矩轉(zhuǎn)速圖圖3裝配CVT的電機扭矩轉(zhuǎn)速圖圖4優(yōu)化傳動比圖5裝有4速變速器的電機扭矩轉(zhuǎn)速圖假設(shè)在四速變速器情況下如圖5示。根據(jù)圖4主觀的選擇傳動比，選擇傳動比2.5、1.5、1和0.8.實際上，傳動比是自動選擇的而不是向傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車一樣手動選擇。以下是一個簡化的傳動比選擇策略：對于等速運行工況，選擇最高檔（低傳動比）。當加速時傳動比根據(jù)轉(zhuǎn)速而定，例如上述傳動比速度的選擇范圍是0-100,100-200,200-300和300-800rad/s。它表明這不是最佳的，但這種方法用以了解能量的敏感性，預測實際設(shè)計問題。然后重復其他兩個變速器：傳動比為2、1和0.8的三速和傳動比為2和0.8的兩速變速器它們的速度范圍分別是0-300和300-800rad/s，電動機在兩變速200圖加的變速小到12.4s。最日at齒變速仍然保持不變。關(guān)能統(tǒng)有利于減小電動機的尺寸，駕駛性能Q.a題將在很大程度上取決于車輛的具體應用厶匕能附加.簡單這是否是器系統(tǒng)中的運行點如圖6所示。230200圖加的變速小到12.4s。最日at齒變速仍然保持不變。關(guān)能統(tǒng)有利于減小電動機的尺寸，駕駛性能Q.a題將在很大程度上取決于車輛的具體應用厶匕能附加.簡單這是否是器系統(tǒng)中的運行點如圖6所示。230優(yōu)勢是可的力讒時高時速1*3T示。裝一個附這種改善會被的損耗抵消，港種損耗起初可能會被忽略。齒輪式變速器的一個潛在例如，裝有齒輪式變速器的汽車0-100km/h善,NEDC行駛環(huán)中常合適的。實際上,8.3s而裝有兩個齒輪式變速器的汽車加速時間減。電動機詳細性比如滾動阻力和空氣阻力。盡管NEDC循環(huán)廣泛應用在標準行駛循環(huán)工況，電動機的峰值功率僅為21.9kw。實際上，為了提高發(fā)動機的加速水平滿足客戶需求，電動機的峰值功率大約是此值得兩倍。Nogearbox4speedjscariiORCyntinwufilyvar(ah3cgcartwnDrivingcvetcEnergycnn^miipEidnperIGOkrn(kWh/IlOOJim|Energ}'con^iunpli-anperlinpftsvemcftEiOOkn^kWh/lOOkml %EnergywnsumpliHJnper100km(kWh/100km}linproverrBhi%EuropeNEDC8337.964.57r?95.3EuropeCity6.S7b.229.761211.0USAFT5S.457.778.07.5JJG.9USACity19.06S.437.0囂沖WJiLpmi[1eg*6.936614.66.555.4Japtin1*0mcidr7.2064111.063112.4表3六種不同循環(huán)工況下能耗比較駕駛循環(huán)的影響汽車行業(yè)面臨著基本問題，新能源汽車的研究方式使設(shè)計研究更加激烈。迄今為止所采取的方法在很大程度上依賴于標準的駕駛循環(huán)。從科學的觀點來看這是站不住腳的，因為在相同輸入條件下汽車設(shè)計進行了比較。但是主要問題是是什么構(gòu)成了典型駕駛循環(huán)工況，他能代表標準的日常行駛工況嗎？這不可避免的導致多種所謂的標準行駛循環(huán)，在三個主要的世界市場：歐洲、美國和遠東，不同程度上反應了行駛工況。這個問題的一些想法在表3突出的表現(xiàn)出來，電動汽車是重復六種不同行駛工況。這些結(jié)果似乎更有希望。在以上六種循環(huán)中的四個循環(huán)，使用無機傳動裝置的在9.6%到12.4%之間。盡管無級變速器可能損耗能量，但還是有其他的好處。當然這會增加額外的成本、重量、和變速器的復雜程度。在集成電路發(fā)動機汽車上認真考慮利用微小能量作為不懈的追求。因此，電動汽車可能會普及，汽車公司將研究任何具有潛力的方法來提高能量利用率。歐洲NEDC和美國FTP-75是最具代表性的循環(huán)行駛工況；實際上歐洲城市和美國城市是這些長循環(huán)的子集而日本循環(huán)是非常短和簡單的。美國FTP-75循環(huán)很有希望；這個循環(huán)工況少等速循環(huán)工況，包括很多加速工況可達40-50km/h。在這種條件下無級變速器可提供一個較大的改善。駕駛性能影響最后，汽車行業(yè)所面臨的最大挑戰(zhàn)是誘惑，圍繞行駛循環(huán)工況測試結(jié)果優(yōu)化設(shè)計，從而導致領(lǐng)先的燃油經(jīng)濟性和降低二氧化碳排放?？偠灾?，這不是理想狀況-測試程序?qū)嶋H上帶動了汽車的工程開發(fā)。它也可以帶動另一個領(lǐng)域能源汽車的發(fā)展-被稱為“駕駛性能”。這個術(shù)語包含很多汽車性能，包含了消費者對車輛的滿意程度。駕駛性能的評價是主觀的；怠速狀態(tài)、起步感覺、油門反應和感覺、巡航穩(wěn)定性、制動感覺等。顯然有機會探討測量車輛性能和主觀評估車輛性能之間是否有穩(wěn)健的關(guān)系。4總結(jié)有意把建模和分析得到的結(jié)論簡單化，是為了探討通過采用齒輪式變速器，電動汽車能否有任何潛在的效能提高?？梢缘贸鰩讉€結(jié)論，有些比其他的更有意義。在NEDC循環(huán)，裝有無級變速器的能量利用率比一般的汽車提高了僅5.3%。實際上，變速器中的損耗抵消了提高的效能，所以凈值可能是0.然而，采用美國FTP-75循環(huán)，加速工況和等速工況兩者的平衡，增益為10.9%即使是抵消變速器帶來的損失也是很有希望的。變速器系統(tǒng)有提高駕駛性能和減小電機尺寸的潛能，同時保持加速能力?？傊?，這個簡化模型表明，使用齒輪式變速器的電動汽車的想法是值得進一步研究的，并試圖量化提高效能和駕駛性能的改善。鳴謝：本作者感謝全球汽車技術(shù)交流的支持，由Mr．A．Morri管理項目，桑蘭得大學，www．a(chǎn)map．sunderland．a(chǎn)c．uk。參考文獻：【1】SupplierBusinessLtd．，HybridVehiclesandComponentsReport，2007．【2】J．Larminie，J．Lowry，ElectricVehicleTechnologyExplained，JohnWiley，2003．【3】I．Husain．ElectricandHybridVehicles，DesignFundamentals，CRCPress，2003．【4】C．C．Chan．K．T．Chau．ModernElectricVehicleTechnology，OxfordUniversity