基于Cruise的电动汽车匹配CVT变速器仿真分析

唐丽萍　吕掌权

摘 要：目前，固定速比减速器结构简单、成本较低，在电动汽车上得到了广泛的应用。但是，该结构形式对电机的转速和转矩特性有较高的要求，而且增加了电机在低效率范围工作的概率，而无级变速器在一定范围内可以连续变化，实现电机的高效运转。因此本文针对某款电动车，分别匹配固定速比减速器和CVT无级变速器进行仿真分析。结果表明，在NEDC循环工况下，匹配CVT无级变速器的电动汽车在动力性方面明显增强，但经济性有所减低。关键词：CRUISE;纯电动汽车;CVT中图分类号：U469.7  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）01-06-03

Abstract： At present， the fixed speed ratio reducer has been widely used in electric vehicles due to its simple structure and low cost. However， this structure has higher requirements on the speed and torque characteristics of the motor， and increases the probability of the motor operating in the low efficiency range. The CVT can be continuously changed in a certain range to achieve efficient motor operation. Therefore， in this paper， a fixed speed ratio reducer and CVT stepless transmission are respectively matched for simulation analysis of a certain electric vehicle. The simulation results show that， under NEDC cycle condition， the electric vehicle matched with CVT transmission has obvious enhancement in power performance， but the economy is reduced to some extent.Keywords： CRUISE; Electric Vehicle; CVTCLC NO.： U469.7  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）01-06-03

前言

随着国家政策的大力支持，我国电动汽车行业得到了快速发展，2018年中国电动汽车产销量突破200万辆，但是现阶段电动汽车续航里程、能耗问题一直是汽车厂商亟待解决的问题，对电动汽车传动系统进行合理的结构设计及参数匹配能够提高电动汽车的性^[1]。目前，绝大部分汽车使用固定传动比减速器，该传动方式，结构简单，成本低。但是采用固定速比减速器，对电机的转速及转矩特性要求较高，电机效率相对较低^[2]。而搭载CVT无级变速器能够充分发挥电机性能，提高电机在低转速时的扭矩和高转速下的功率，增大电机在高效率范围工作的概率^[3]。

在电动汽车多挡化的方面，国内外有很多相关研究，但是多数采用两挡式变速器，能在一定程度上提高整车的经济性及动力性，但是对搭载CVT变速器的研究较少^[4-6]。本文针对某电动汽车，在原有电机、电池等核心部件不变的前提下，分别搭载固定速比减速器和CVT无级变速器，对整车动力性参数进行匹配计算，并在NEDC循环工况下对比固定传动比减速器电动汽车和搭载CVT无级变速器电动汽车的动力性和经济性仿真。

1 整车参数

以某电动汽车为基础，建立电动汽车整车动力学模型，该电动汽车整车基本参数如表1所示，动力总成的基本参数如表2所示。

2 固定传动比减速器电动汽车模型

2.1 固定速比变速器电动汽车模型建立

本文利用AVL CRUISE 软件建立固定速比变速器电动汽车模型。该模型采用单电机前轮驱动，电机及电池参数如表2所示，根据汽车最高车速及最大爬坡度，计算主减速器传动比。然后将动力传递的各个模块加入到模型中，建立正确的信号连接，固定速比减速器电动汽车模型如图1所示。

（1）最小传动比的计算

驱动电机的最小传动比应该满足汽车的最高车速要求，最小传动比由公式（1）计算：

得到汽车的最小传动比i_min=5.855。

（2）最大传动比的计算

汽车的最大传动比应该满足最大爬坡度的要求，由公式（2）進行计算：

得到变速器最大传动比i_max=6.175。

因此固定速比减速比的传动比范围为5.855～6.175，在兼顾动力性和经济性的同时，变速器传动比选择6.015。

2.2 固定速比变速器电动汽车仿真计算及结果

本文主要研究电动汽车的动力性和经济，通过对模型进行NEDC循环工况进行仿真，来得到该电动汽车的百公里耗电量、最高车速、加速时间以及爬坡。其仿真分析结果如下：

（1）该电动汽车的最高车速可以达到175km/h;该电动车在满载条件下的最大爬坡为29.98%;

（2）该电动车0-100km/h加速时间为10.40s;

（3）该电动汽车在ENDC工况下百公里耗电量为13.87kwh/100km;续航里程约220km。

3 搭载CVT变速器电动车模型

搭载CVT变速器的电动车与固定速电动汽车的区别主要在于，CVT变速器的传动比是在一定范围内可以连续变化。其常见的传动比在0.5-3.0之间，根据汽车的不同要求，可以适当修改最小以及最大传动比。在CVT工作过程中，传动比主要是根据主从动带轮之间的夹紧力的比值决定的，为了满足汽车正常行驶的各工况要求，要求CVT的传动比应满足公式（3）：

其中i_min、i_max分别为最小传动比和最大传动比，即CVT的传动比应在i_min和i_max之间。

由公式（3）可以得到CVT的传动比范围，因此该CVT模型的传动比设置为0.68-2.68。同时在考虑汽车最高车速，最大爬坡度的情况下，该CVT变速器传动比设置为0.68-2.88。

3.1 搭载CVT变速器电动汽车模型建立

在AVL-Cruise中，建立电动汽车整车模型;其中，整车基本参数、电机模型、电池模型等与2.1节固定传动比电动汽车模型参数相同。在CVT变速器模块中需要添加CVT变速器的控制策略。而CVT变速器的控制策略是由车速、汽车负载等参数调整变速器的传动比，使得汽车在不同工况均可得到在有效的传动比。本文选择Cruise中CVT变速器集成的控制策略模块。

3.2 搭载CVT变速器电动汽车仿真计算及结果

搭载CVT变速器电动汽车的仿真计算采用与固定传动比电动汽车仿真相同工况进行仿真计算，其仿真结果如下：

（1）该电动汽车的最高车速可以达到186km/h;该电动车在满载条件下的最大爬坡为38.02%。

（2）该电动车通过0-100km/h加速时间为9.53s;

（3）该电动汽车在ENDC工况下百公里耗电量为15.79kwh/100km;续航里程约187 km。

3.3 搭载CVT和固定速比的变速器的仿真结果对比分析

本文分别将固定传动比变速器和搭载CVT变速器的电动汽车仿真结果如表3所示。通过对比发现，与搭载固定速比变速器的电动车相比，0-100km/h加速时间减少8.3%，最高车速提升6.3%，最大爬坡度上升26.8%。因此，搭载CVT

变速器的电动汽车在动力性能方面比搭载固定传动比变速器的电动车表现要好;但是经济性能表现要差，百公里耗电量增加了13.8%，续航里程下降了15%。

4 结论

本文针对某款分别对搭载固定传动比变速器电动汽车和搭载CVT变速器电动汽车进行仿真分析。对比结果显示与固定传动比变速器电动汽车相比，搭载CVT变速器电动汽车在动力性方面表现较好，动力性能有较大的提高，百公里加速时间减少8.3%，最高车速提升6.3%，最大爬坡度上升26.8%;而在经济性方面变现相对较弱，百公里耗电量增加13.8%，续航里程下降了15%。搭载CVT变速器的电动汽车动力性表现较好可能是因为CVT变速器传动比变化范围较大，与固定传动变速器相比更能满足最大车速和最大爬坡度的要求。经济性相对较差可能是由于CVT变速器的换挡策略不能让电机工作在效率最高的区域。

参考文献

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[6] 刘江红.纯电动汽车动力传动系统参数的匹配设计[J]. 传动技术， 2017（3）.