两挡变速器在纯电城市物流车上的应用分析

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.