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纯电动车两挡自动变速器的研发
简介
近几年，纯电动汽车的研究集中在能量储存系统的发展（如动力电池），电驱系统和控制策略，然而，在电池和其他相关的技术取得突破之前，变速器参数的优化对发展电动汽车的性能有很重要的意义。纯电动汽车变速器参数的设计，特别是齿轮传动比的选择和动力组件的匹配将在动力性能、能量消耗以及续航里程产生重要的影响。变速器的参数选择得不合理将不能优化汽车的性能，本文用一种新的用于纯电动运动多功能汽车的两级自动变速器取代了固定速比的减速器。这种变速器有两套齿轮，但没有离合器，由一组电动执行机构控制着齿轮的改变，采用牵引电机主动同步控制以达到高质量换挡过程、电机速度和扭矩相一致的目的。为了证明提议的两级变速器的有效，下一个仿真模型被开发，仿真分析显示电机主动同步确保减少了电动汽车的动力损失，提高了换挡的舒适性。两级变速器还有许多其他的优点，它可以降低对电机最大转矩的需求，减少机械传动噪音，优化电机的工作转速区间，同时提高动力传动系统的效率。
1. 两级自动变速器的发展
传统的纯电动汽车通常采用固定速比的减速器，为了实现汽车的高性能，牵引电机的输出转矩和最高转速应该足够大，另一方面，速度太高将会导致机械噪音，减短轮轴轴承的使用寿命。为了发展纯电动运动多功能汽车的性能，开发了一种新的两级变速器，并将其用于第二代汽车，而其他动力组件，包含电机和电池，相比于第一代仍保持不变。
此变速器拥有两套齿轮和一个同步器，但没有离合器，依靠电动执行机构来改变齿轮，为了使变速器紧凑，不同的机构做成一体化。因此，整个系统看起来很简单，成本也很低。图1为已开发的EV动力模型的装配图。
1.1 变速器的控制策略
由于电机和变速器之间没有离合器，为了实现高质量的换挡过程，牵引电机采用主动同步控制，同步器被动同步。图2为升档过程中电机的转矩和速度曲线。首先，电机进入转矩控制模式，输出转矩为T1，电机转速为n1，当我们想升档时，电机改变为怠速模式，输出转
矩变为0，然后电动执行机构使得变速器分离一档齿轮，目标转速可表示为：
n2?(i2/i1)n1, (1)
在公式(1)中，i1是一挡齿轮的传动比，i2是二挡齿轮的传动比。
当实际转速接近目标转速时，例如转速差远远小于50r/min，然后电机再次改变为怠速模式，随后电动执行机构使得变速器进入二档齿轮，同时同步器也在工作。最后，当变速器处在目标档时，电机再次改变为转矩控制模式，目标输出转矩变为T2，可以表示为：
T2?(i1/i2)T1， (2)
图3为降低过程中电机转矩和速度曲线，其与升档工程相类似，但目标转速和目标输出转矩是不同的。
1.2 齿轮传动比的选择
两级变速器齿轮传动比的设计是非常重要的，一档齿轮传动比不仅应满足某阶段的性能，而且还要考虑在常用的低速段电机的效率，当二档齿轮传动比能满足最大速度时，它应有更低的电机转速。此外，平顺的换挡过程也是一个关键点，一档齿轮传动比太大和二档齿轮传动比太小都会导致间隔很长总的牵引扭矩不平衡，这将会使换挡质量恶化。另一方面，
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越低的转速将减少损耗和机械噪音，本文中最大的转速限制在6500r/min，考虑到电机效率图，已选择了最优的齿轮传动比，一档齿轮传动比为2.5，二档齿轮传动比为1.45。
2. 变速器的特性仿真
本文开发了一种新型的仿真模型以分析固定传动比的减速器和两极自动变速器之间的性能差异。图4显示了模型的界面，基于Matlab/Simulink软件开发了此仿真模型，其含有电池模型、电机模型、控制策略模型等等。表1为汽车性能参数的概述。
2.1 爬坡性能的比较
汽车的最大牵引扭矩在不同的车速下可这样定义：
Dr_max(v)?Tm_max(n)igio， （3）
在公式（3）中，Tm_max是在电机速度为n时的最大输出扭矩，ig是变速器齿轮传动比，io是最终的齿轮传动比。汽车总的牵引转矩可表达为：
?12 fr(v)?Rmgf(v)cos??{ACd[v/(km?h)]}/21.5， （4）
在公式（4）中，R，m，A，Cd和v分别是轮子半径、汽车总质量、正面面积、驱动效率、斜率和车速（km/h），f(v)是滚动摩擦系数，其仅仅是v的函数，如公式（5）所示。
f(v)?1.2{0.0098?0.0025[v/(100km?h?1)]?0.0004[v/(100km?h?1)]4}， （5）
图5显示了固定齿轮传动比的减速器和两级变速器分别用于此模型时最大牵引转矩和车速之间的关系，如图所示，可看出最大牵引扭矩增大了大约250Nm，汽车的爬坡性能从25.75%改变为30.48%。
2.2 加速性能的比较
汽车加速的时间可用以下公式计算：
j?[Dr_max(v)??e?fr(v)]/m， （6）
J是机械式变速器的效率，而?e是电机的效率。在加速期间，换挡点将会影响加速时间。为了获得最好的加速性能，在低车速时应选择高档位，且降到一个更低的档位后，电机应该保持相同的动力曲线。表2显示了用固定传动比的减速器和两级变速器之间汽车加速性能的差异。当采用固定传动比的减速器时，0-50km/h和0-100km/h的加速时间分别为5.65s和14.8s，而采用两级变速器时，0-50km/h的加速时间是4.9s，但对于50-100km/h，换挡点和齿轮之间改变（动力损失）的时间间隔有相当大的影响。对于两级变速器，以70km/h作为换挡点，0-100km/h的加速时间是14.9s，几乎和固定传动比的减速器一样，档位改变的时间间隔是0.7s，如果选择50km/h作为换挡点的话，0-100km/h的加速时间是15.9s，因此，档位改变的时间间隔是0.7s。同时，当车速达到120km/h的最高速度时，相比于用固定传动比的减速器，其最大的电机转速从9250r/min减到6238r/min。因而，为了提高汽车的动态特性，在实际操作中应选择更高的速度作为换挡点。当以较低的速度换挡时，电机转速在小范围改变，档位改变的时间间隔更短，但在这种情况下，所要求的转矩不能太大以得到满意的换挡舒适性。
2.3 运行速度的范围和电机效率的比较
用EUDC周期开发了一个很详细的汽车仿真模型，用不同的变速器方案比较和分析了电机的操作点。图6显示了在相同工作周期下固定传动比的减速器和两级变速器的操作点。左
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边部分用固定传动比的减速器，最大电机转速超过9000r/min，而右边部分，最大的电机转速低于6500r/min，电机操作点相对而言处于高效率区，结果是总效率提高了近5.36%。同时，提高的效率也使得电池减少了动力的输出，这也将增加电池的使用寿命和续航里程。
3. 平台测试
为了验证两级变速器的控制策略，设计了动力传动的测试台，如图7所示，包含电机、电池、两级变速器、飞轮等等。在平台测试中，换挡执行由人手动操作。换挡拨叉上安装了档位位置传感器以检测档位位置。最终完成了平台测试，图8和图9分别显示了降档和升档过程中车速和电机转速的变化，实验结果说明两级变速器换挡平顺，档位改变的时间间隔是0.6s（降档）和0.7s（升档）。在接下来的研究中，手动换挡操作将会被电动换挡操作所替代以提高自动化水平。
4. 结论
变速器系统参数对其性能有相当大的影响。用两级变速器取代常用的固定传动比的减速器后，爬坡性能、加速性能和整车效率都要明显提高，续航里程和电池使用寿命也有所增加，同时，两级变速器的结构简单，电机主动同步提供了平顺的换挡。因此，两级变速器的应用前景很光明。