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变速箱设计对电动汽车（EV）性能的影响

Q.Ren, D.A. Crolla , A. Morris

英国桑德兰大学工业中心汽车和制造高级实践学院（AMAP），英国桑德兰SRS 3XB

摘要：本文的目的是设计一个简单的电动汽车模型，并预测该模型在标准行驶循环工况内使用可变速比和固定速比变速箱时的能耗，以了解变速箱设计是否可以给电动汽车带来显著的效率提升。使用QSS Toolkit在Matlab / Simulink中对常用电动汽车的动力总成进行了建模。其中，电动汽车装配了复杂程度不同的变速器。然后，进行了6个标准驾驶循环工况的仿真来模拟该车的能耗。新得出结论是，根据所采用的行驶循环工况，使用变速比变速箱可以将整体的能耗水平提高大约5％至12％。但是，我们还必须权衡此结果带来的许多其他实际应考虑的因素——本文讨论了其中一些因素的影响,比如：变速箱的效率、额外的重量、成本和结构的复杂性、对驾驶性能的影响以及电机小型化的潜力。

关键词：电动汽车，变速箱，效率

1 绪论

全世界的制造商和政府似乎都对电动汽车的兴趣日益高涨，因此目前对电动汽车（EV）再怎样热衷都不为过[1]。从历史的角度看，电动汽车的发展史是一个引人入胜的工程故事；很少有人意识到它们的出现早于内燃式（IC）发动机驱动的车辆，并且在19世纪末就已经开始商用[2]。一辆电动汽车甚至在1899年就创下了世界陆地速度记录，并且是第一台每分钟行驶距离超过一英里的汽车。因此，对于给定的输出功率，只需比较这三种设备（电动机，IC发动机和蒸汽机）的大小和复杂性，即可意识到电动机毫无疑问是赢家。然而，电动汽车的缺点是使用的可充电电池的存储的能量有限，汽油的比能量（Wh / kg）约为传统铅酸电池的300倍。有许多优秀的参考文献[1-5]讲述了迄今为止电动汽车的发展故事。

对控制全球污染物排放的需求以及具有更高的比能量、能量密度和可充电性的新型电池设计的出现，这些政治需要和科技的发展推动了21世纪初期人们对电动汽车的再次追捧[3]。

迄今为止，世界上大多数电动汽车在设计时都使用了一个固定速比的变速器，这种变速器通常集成在差速器中[4，5]。电动机的优势体现在大多数电动机具有两个额定值，即间歇性的高功率曲线和连续的较低功率曲线，而这两种曲线通常受散热的限制。因此，驱动电机的高扭矩状态通常可以提供良好的加速度，尤其是在从低速开始加速时，并且车辆最高速度受连续功率曲线上的扭矩控制，因此人们通常选择固定速比减速器来控制这种特性。

然而，从人们对大量节能汽车的研究所得出的结论之一就是，探索各种可能的途径以提高效率是必要的，并且关键是只有将所有这些提高效率的途径综合在一起时，车辆才开始显示出有价值的优势。强调这个结论的一种经典研究案例就是比较两种采用不同节能方式的汽车：（i）完全混合动力汽车，例如丰田普锐斯和（ii）先进的常规柴油车，例如宝马118d。丰田普锐斯采用了一种高度复杂的混合动力系统设计，它结合了基于阿特金森循环的内燃机，两个电动机和一个独特的行星齿轮变速箱。宝马118d是一种常规车辆，其柴油发动机经过改装，特别是在部分负荷下具有很高的效率，并且具有常规的变速箱、启停装置并且具有一定的能量回收能力。对于这两种车辆，它们所有的输入能量均来自燃料输入，尽管它们的能量管理方式不同——但至关重要的是，它们都支持这一关键论断，即对节能汽车的研究取决于共同追求所有能提高效率的途径。

回到电动汽车的情况，因此有必要研究是否有可能管理电动机的效率，以便通过使用中部的变速箱使电动机更频繁地在其较高的效率区域内运行。本文的目的是建立一个简单的电动汽车模型，并在标准行驶循环工况内预测其使用可变速比和固定速比变速箱的能耗，以了解这种方法是否可以带来显著的效率提升。

2 建模

电动汽车性能的建模是使用QSS Toolkit [6、7]完成的。这是一个准静态仿真程序包，基于Simulink模块和适当的参数文件的结合，可以在任何Matlab / Simulink环境中运行。这辆电动汽车模型本身很简单，如图一所示。它是传统的插电式电动汽车，但在动力总成中增加了一个变速箱。

图1.电动汽车结构框图

电机特性是用来代表额定功率40kW的典型通用电机。它们取自拉米尼[2]，他提出了一种Matlab脚本，即根据有关电动机内部损耗的假设来生成一组通用电动机属性。

车辆参数如表一所示；它们用来代表典型的通用车辆，而不是任何特定的设计。

表1.整车基本参数

该模型的输入是标准驾驶循环工况之一——NEDC循环工况在这项工作中得到了广泛使用——求解过程基于电动汽车以等一秒钟的间隔逐步通过驾驶循环，计算平衡条件，然后收集所有循环结束时用于绘图的数据。在这个最初的模拟中，建模的假设被设定的非常简单，因此没有考虑变速箱或电池中的损耗。因此，我们要把注意力集中在电机效率图和主要问题上，即电机运行在最佳效率点或最佳效率点附近，能否有可能改善整体的能量利用率。

3 仿真结果

3. 1 装备有单级变速器的电动汽车

图2所示的第一个结果是不装备变速箱的车辆的基准状态。电动机转矩与速度的关系图上的每个点都是NEDC循环工况中单个点的解。该循环定义了从t = 50s到t =1220s的输入，因此该图上有1170个点。该图的上半部是指电动机正处于输出功率的状态，下半部是指电动机充当发电机并再生制动回收能量到电池输出功率的状态。上半部分的效率线定义为（所需输入功率/输出功率）；下半部分的效率线定义为（再生功率/输入功率）。转速从0到166.7 rad / s，电动机可提供的最大扭矩为240 N*m，此后显示的是最大功率线。

图2.未装备变速箱的电机运行工况点

3.2装备有无极变速器（CVT）的电动汽车

下一个仿真结果中假设变速箱的速比是无限可变的，因此可以选择任何速比。实际上，我们限制了变速器速比的上限和下限，所以速比只可以选择从4到0.6之间的任何值。计算过程实际上是采用一种简化的优化策略。对于行驶循环工况的任何时间点，首先要计算的是电动机所需的转矩和转速。然后，根据这个功率需求按照一种搜索路径来搜索电动机脉谱图，以找到相对应的最大效率的点并且适当选择的速比，以便电动机可以在此点运行，并且仍能将必要的扭矩和转速传递给驱动轮。我们进一步假设变速箱的响应速度将足够快以满足这些不断变化的要求。因此，图3所示的结果有效地描述了所选的NEDC循环工况中驱动电机所得到的优化。从图3可以清楚地看出，仿真结果遵循的是电动机最大效率的标称线。该算法选择的可实现这一目标的齿轮速比如图4所示。

图3.装备有无级变速箱的电机运行工况点

图4.基于优化策略的变速器传动比

3.3装备有多档变速器的电动汽车

图5所示的结果表示的是这样一种模型，即假设在变速器中装有四档变速箱的情况。在参考图4之后，以相当主观的方式选择变速箱的各档速比，并且各档速比分别为2.5、1.5、1和0.8。实际上，各档速比的选择将自动完成，而不是像传统的内燃式发动机汽车那样手动进行。在这里，我们使用了一种简单的齿轮速比选择策略：

根据汽车的稳定运行速度，选择最高档位速比（最低数值比）。

当电动汽车进行加速时，各速比选择取决于电机转速，例如，上述速比选择是基于0-100、100-200、200-300和300-800 rad / s的电机转速范围。这并不表明这样选择是最佳的，但是选择这种方法是为了了解能耗预测对实际设计问题的敏感性。

其他两种变速箱的选择也是根据这种规则。

三档变速箱的各档速比分别为2、1和0.8。两档变速器的各档速比分别是2和0.8，其选择是基于0 – 300和300 – 800 rad/s的驱动电机转速范围，并且二挡

变速箱系统的驱动电机运行工况点如图6所示。

图5.装备有四挡变速器的电机运行工况点

图6.装备有两档变速箱的电机运行工况点

仿真结果如表2所示，该结果显示了在NEDC循环工况中装备不同变速箱系统的电动汽车的相对能耗。在NEDC循环工况中，安装额外的变速箱所带来的提升实际上是相当有限的。实际上，这部分提高的效率百分比将被变速箱本身额外的效率损失所抵消，而这些损失最初在这项模拟中是被忽略的。齿轮式变速箱的潜在优点之一是对驾驶性能的有可能的提升。例如，装备固定速比变速箱得车辆从0到1 00 km / h的加速时间为18.3 s，而装备两档变速箱时，该时间缩短为12.4 s，而其最高时速183 km / h仍然保持不变。

表2 . 基于NEDC循环工况的装备不同变速箱的电动汽车的效率提升

这就产生了一种可能性，即简单的齿轮变速箱系统的优点之一是可以减小电动机的尺寸，但仍使汽车保持相同的驾驶性能。这是否可行，很大程度上取决于特定的车辆应用，以及相对于质量、滚动阻力和空气阻力等关键车辆参数而言，所选电动机的详细参数。例如，尽管NEDC循环工况被广泛用作标准行驶循环工况，但其对应电动机所需的峰值功率仅为21.9 kW。实际上，电动机的峰值功率将必须约为该值的两倍，以便提供足够高的加速度来满足客户需求。

3.4行驶循环工况的影响

目前，汽车工业在寻求开发节能汽车过程中面临的基本问题之一是寻找一种能够对相互对比的设计进行可靠比较的方法。迄今为止人们所采用的方法很大程度上取决于标准行驶循环工况。从科学的眼光来看，这种方法是值得拥护的，因为车辆设计是在相同的输入条件下进行比较的。但是主要的问题之一就是到底什么构成了典型的驾驶循环工况，即他们以何种方式代表了日常驾驶？不可避免地，这导致了许多所谓的标准行驶循环工况的发展而且这些标准在一定程度上反映了欧洲、美国和远东这三个主要世界市场的不同驾驶模式。

表3中突出表示了对于该问题的一些观点，其中表示了电动汽车重复六种不同的行驶循环工况的结果。这些结果更具有说服力。在六个循环中的四个循环中，使用无级变速装置的所带来的提升介于9.6%和12.4％之间。即使其中的一些效率的提升会因变速箱内部的损耗而损失，但仍有一些有价值的提升可利用。当然，这些提升也将会与变速箱系统所产生的额外成本、重量和复杂性相矛盾。但是，在使用内燃发动机的车辆中，非常小的效率提升也会被认真考虑，因为这是对任何可能的效率提升的不懈追求的一部分。 因此，随着电动汽车的普及，公司将会寻找所有可能的提高效率的方法。

表3.六种不同循环工况下能量消耗改善的对比

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