两挡变速器在纯电城市物流车上的应用分析

2020-12-09 05:40郭海保方志勤朱丹丹
汽车实用技术 2020年21期
关键词:性能

郭海保 方志勤 朱丹丹

摘 要:根据某款纯电城市物流轻卡的整车性能目标,分别匹配大扭矩电机直驱方式和小扭矩电机+两挡变速器,对匹配两种动力总成的车辆的动力性、经济性进行仿真分析,最后将性能、成本和重量等方面进行对比分析,得出结论:两挡变速器在成本、重量、爬坡能力方面有明显优势,在经济性方面与直驱相当,但在驾驶感受方面表现不佳。

关键词:纯电;物流车;两挡变速器;性能

中图分类号:U469.72  文献标志码:A  文章编号:1671-7988(2020)21-11-03

Abstract: According to the performance goals of a pure electric city logistics truck, it is matched with the high-torque motor direct drive mode and the small-torque motor+two-gear transmission, which is dynamic and economical for vehicles that match two power assemblies Carry out a simulation analysis of the performance, and finally compare and analyze the performance, cost and weight, and conclude that the two-gear transmission have obvious advantages in terms of cost, weight, and climbing ability. They are economically equivalent to direct drive, but they are driving Poor performance.

Keywords: EV; Logistics Turk; Two-gear transmission; Performance

CLC NO.: U469.72  Document Code: A  Article ID: 1671-7988(2020)21-11-03

1 前言

近年来,国家对新能源汽车的大力推广,使得纯电汽车发展越来越快,尤其是纯电轻卡商用车在城市短途物流的应用越来越广。目前对于纯电轻卡物流车,大多采用大扭矩电机加大速比后桥的直驱方式,针对纯电动车是否需要配变速器一直观点不一[1]。本文对两挡变速器在某4.5t纯电轻卡上的匹配分析,从性能、重量、成本等方面与现有直驱方式进行对比,论述其优缺点。

2 整车参数及性能目标

2.1 动力总成相关参数的确定

根据整车的相关参数和性能目标要求确定两挡动力总成的相关参数

2.1.1 峰值转速

基于整车最高车速,应用下列式计算驱动电机的峰值转速:

式中:Vmax:整车最高车速,单位(km/h);r:车轮滚动半径,单位(m);nmax:电机峰值转速,单位(r/min);i:传动系速比。

2.1.2 功率

应用下列式计算驱动电机的额定功率:

式中:pem:驱动电机额定功率,单位(kw);Ttq:整车最高车速时驱动电机扭矩,单位(Nm)。

基于全负荷加速时间,应用下列公式计算驱动电机的峰值功率:

式中:pem_max:驱动电机峰值功率,单位(kw);η:传动系效率;m:整车质量,单位(kg);f:道路滚动阻力系数;ua:车速,单位(km/h);CD:风阻系数;A:迎风面积,单位(m2);δ:汽车旋转质量换算系数;:行驶加速度,单位(m/s2)。

2.1.3 峰值扭矩

基于整车最大爬坡度,应用下列公式计算驱动电机的峰值扭矩:

式中:Tmax:驱动电机峰值扭矩,单位(Nm);α:坡度角,单位(°)。

2.1.4 两挡变速器参数确定

此次所匹配的两挡变速器是以两挡AMT形式,以AMT形式,取消离合器,采用驱动电机调速,换挡电机驱动拨叉和滑套的换挡方式。采用该种结构主要是考虑其在同类型自动变速箱中效率高,结构简单,成本低,重量輕。

目前纯电动汽车大多采用交流永磁同步电机,这种类型电机具有基速以下恒扭矩输出,基速以上恒功率输出的特点,其特性与车辆驱动特性相似。下式为电动车驱动力公式:

式中:Fd:车辆驱动力,单位(N);Tm:电机输出扭矩,单位(Nm)。

车辆在巡航和最高车速工况下,需考虑驱动力和行驶阻力的平衡点。一般情况下,驱动电机在基速附近具有很高的效率,因此在设定速比时,车辆在巡航工况运行时电机工作在基速附近,驱动电机最高转速时,变速箱速比应满足车辆最高车速要求[2]。

在满足车辆基本性能要求时,还需考虑车辆在最大牵引力时车轮不打滑:

式中:N:地面法向反力,单位(N);μ:地面附着系数。

整车换挡过程主要包括五个阶段:电机降扭、变速器摘挡、变速器升/降速、变速器进档、电机增扭,故两挡变速器阶比对换挡性能和控制有直接关系。阶比过大,会导致电机调速时间过长,换挡冲击大,阶比过小,电机在高效区时车速范围窄,经济性较差[3]。为了尽可能满足换挡舒适性,保证整车经济性,一二档阶比一般满足:

式中:i1:1挡速比;i2:2挡速比。

根据公式(1)(2)(3)(4)可以确定驱动电机基本参数,根据公式(5)(6)(7)可确定变速器速比,由此可得两挡动力总成基本参数[4]。见表2:

3 性能仿真与结果分析

整车性能仿真采用AVL公司的Cruise软件进行建模與仿真,为了使仿真结果更加接近实际情况,仿真的相关整车参数以及制动能量回收的相关策略,均来自现有直驱实车数据。

由表3仿真结果可以得知,该车匹配两挡动力总成比匹配直驱动力总成在最高车速提升20%,0-50km/h加速提升17.7%,爬坡性能提升了34.4%,起步加速以及最大爬坡度上的提升,主要原因是两挡箱在一挡采用较大速比,提升动力总成输出扭矩;二档可采用较小速比提升车辆最高车速能力,但在中段加速过程中,由于匹配为AMT形式变速器,换挡过程中的电机升降扭调速和进出挡时间将近1.5秒,故中段加速较直驱差。

经济性方面,以C-WTVC工况为例,满载情况下,等速能耗降低了1.3%,主要是两挡箱可以可以调节电机的工作范围,使电机尽可能的工作在高效区域,使得能耗降低。C-WTVC工况下电机工作区间见下图2和图3。

整车开发过程中,不能仅仅考虑性能,还需考虑成本,

重量。由表3可知,相比直驱,两挡动力总成在成本方面降低16.7%,重量方面降低22.2%。主要原因是,对于商用车而言,需求扭矩较大,而采用变速器可大幅降低电机扭矩需求,从而降低电机质量。

4 结语

(1)4.5t纯电轻卡上匹配两挡变速器在动力性,经济性,以及成本和重量上均有优化,这对厂家应对法规的电耗要求,整车轻量化以及满足客户对超载能力的需求均有很好效果。

(2)纯电车匹配变速器目前主要难题是如何解决变速器所带来的重量、效率、成本、舒适性等问题。

(3)伴随着新能源汽车的大力推广及节能减排相关法规的要求,轻卡及载重更大车辆匹配变速器会成为趋势。

参考文献

[1] 陈金世.先进电动汽车技术[M].北京:化学工业出版社.2007.

[2] Iqbal Husain. Electric and Hybrid Vehicles[M].Akron:Taylor& Fran -cis Group,LLC.2012.

[3] 姬芬竹,高峰,周荣.纯电动汽车传动系参数匹配的研究[J].汽车科技,2005(6):22-25.

[4] Harald Naunheimer,Bernd Bertsche.Aurtomotive Transmissions[M]. Berlin Heidelberg:Springer.2011.

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