变速器设计对电动汽车性能（EV）的影响外文翻译资料

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变速器设计对电动汽车性能（EV）的影响

Q.Ren，D.A.Crolla和A.Morris汽车和制造高级实践研究所（AMAPj）桑德兰大学，工业中心Sunderland SR5 3XB，UK

收到：2009年12月8日/接受：2010年1月18日/发布时间：2010年3月30日

摘要：本文的目的是为了开发一个简单易行的EV模型，并且在可变和固定比率的变速箱中去预测其在一个标准的驾驶循环下能耗与效益，以了解这是否可以带来重大的效率增益。使用QSS工具包给通用的电动车的动力系统在Matlab / Simulink中建模。电动车装上不同的变速器就会具有不同级别的复杂性。本文模拟研究了它在6个标准行驶工况下的能量消耗。由实验新出现的结论是，根据所使用的驱动周期，可变比率变速箱能够将总体能量消耗水平提高约5％至12％。然而，对这个满意的结果还有许多其他实际因数必须要考虑和权衡 - 就像本文讨论的几个这样的影响因数：额外的效率，额外重量，成本和复杂性，对驾驶性能的影响和电动机小型化的潜力等。

关键词：电动汽车 变速器 效率

1. 引言

当前世界各地的制造商和政府似乎都对电动汽车（EV）的兴趣水平几乎没有夸大^[1]。他们都非常的热衷于电动汽车的研究。然而电动汽车的历史视角确是一个非常引人入胜的工程故事：在那个时期，很少有人意识到他们早期的内燃机动力车辆的实现，并且能够在19世纪末的市场上可以买到这种内燃机动力车辆^[2]。当时的一辆电动汽车甚至在1899年持有世界陆地最快机车速度的记录，而且是第一辆速度超过了每分钟一英里的汽车。就是在那个时候，对于已经明确给定的功率输出，仅仅只需要比较车辆上的三个竞争设备的尺寸和复杂性，那就是电动机，IC发动机和蒸汽机 。比较这三个竞争设备，现实结果就是电动机是一个非常明显的赢家，它所能提供的效果是最好的。然而，电动车辆的缺点却相当的明显，即使用可再充电的电池的有限能量存储：汽油的比能（Wh / kg）比原始铅酸电池高大约300倍。这个结果在当时引起了很大的反响。有几个优秀的参考文献^{[1-5 ]}描述了电动汽车发展的故事直到今天。

在当前21世纪早期，人们重新提起对电动汽车的兴趣的源头是由政治方向和科学技术发展驱动的，即政府对控制全球尾气排放的需求和科学界内出现的具有可改善的比能、能量密度和可再充电性质的新电池设计^[3] 。这些新技术和政府新方向驱动着电动汽车重新出现在人们的视线中，并加快他们走向汽车市场。

迄今为止，绝大多数当前的电动汽车的设计都是使用单个固定比率的变速器 ，而且通常是用并入差动单元^[4,5]来实现的。电动机的这个优点得益于大多数电动机具有两个额定值，也就是间歇高功率曲线和较低的连续功率曲线。但是它们通常都受到机械散热的约束。因此，高扭矩总是可以用于良好的加速，特别是在从低速开始运行的时候，并且车辆的最高速度由连续功率曲线的扭矩来控制，因此通常都是选择固定的减速齿轮用以控制车辆的最高速度。

然而，从对节能型车辆的大量研究工作中产生的主要结论之一是，必须寻求每一个可能的小的效率增益的途径。这里面的关键点是，只有当所有的这些增益相加在一起的时候，才发现车辆开始显示出较为明显的有价值的优势。强调这一结论的经典案例就是研究比较两种不同能效的车辆的方法（i）全混合动力汽车，例如丰田普锐斯和（ii）常规的现有技术的柴油动力车辆，例如，宝马118d。丰田普锐斯是一个在设计上高度复杂的混合型汽车，使用的发动机是基于阿特金森循环的IC发动机，加上两个电动电机和独特的行星齿轮箱。宝马118d是一种常规的内燃机汽车，柴油发动机经过改进后，具有很高的效率，特别是在部分负载的时候，常规变速器具有停止启动装置和一些再生能力。对于这些车辆，所有的输入能量都是来源于燃料输入（虽然他们有非常不一样的方式来管理它的有效使用性）但关键是，他们研究能源高效车辆的关键问题都是取决于结合在一起后所能增加的效率。

回到电动汽车（EV)的情况，因此有意义的研究是通过使用中间齿轮箱来调查是否可以用来管理汽车电动机的效率，电动机更经常地在其较高的效率区域中操作。这个论文的目的就是想着开发一个简单的电动汽车（EV）模型，并在标准行驶周期内使用可变的和固定比率的齿轮箱预测其能耗，以了解这种方法是否能够提供显着的效率增益。

1. 建模

电动汽车性能的建模是使用QSS工具包^{[6 7]}完成的。这是一个基于Simulink模块和适当的参数文件集合的准静态模拟软件包，可以在任何Matlab / Simulink的环境中运行。车辆模型本身是非常简单的并且在图1中已经表示出：这是一个传统的插入式电动汽车（EV)，在它的动力传动系中增加了齿轮箱。

变速器输出转速

车速

能源消耗

电机效率图

电池所需电力

发动机输出转矩

发动机输出转速

变速器输出转矩

加速与扭矩

电池模式

齿轮箱模式

差分模型

驾驶循环

图1 EV模块1的框图

电动机特性旨在表示40kW的典型通用电动机，它们取自Larminie ^[2]，他提出了一个Matlab脚本，基于关于电动机内部的假设命题所生成的一组通用电动机性能。

车辆的具体参数总结在下面表1中。它们旨在代表典型的通用车辆而不是任何特定的其他设计。

表一：车辆参数数据

模型的输入是标准的汽车驾驶循环系统之一，即NEDC循环广泛用于这项研究工作。解决方案是基于第二步骤中逐步通过典型的驾驶循环系统，接着计算平衡条件，然后收集所有的数据，并且在循环结束时绘图。假设，在这个初始工作条件中模型保持得非常的简单，所以没有考虑齿轮箱或物流箱中的损失。因此，注意力的焦点就在于所得到的运动效率图，关于是否可能通过在最佳效率点处或附近点操作来提高总体能量使用的主要问题。

1. 仿真结果

3.1具有单传动比的电动汽车（EV）

图2中所示的第一个结果就表示的是涉及没有变速箱的车辆的基线条件。在NEDC循环期间在电动机扭矩对速度的图上的每个点是单个点处的解;该循环定义的是从时间t为50s到输入的时间t为1220s。因此在该图上有1170个点。图2的上半部分表示的是电动机正在传递功率的情况，而下半部分表示的是电动机作为（输入功率/输出功率）;下半部分的效率线定义为（功率再生/输入功率）从0到166.7 rad / s，电机可以提供的最大扭矩为240 Nm，此后显示出最大功率线。

转矩（牛。米）

转矩（牛。米）

电动机转速（转/秒）

电动机转速（转/秒）

图2没有齿轮箱的运行点 图3连续变速齿轮的工作点

3.2具有连续可变传动比的电动汽车（EV）

接下来的结果假定齿轮箱是无级变量的，使得可以选择任何的比率。事实上，上限和下限都被应用，使得比率的有效调用范围是4和0. 6之间的任何值。计算过程实际上是已经简化过的优化策略。首先计算出驱动周期中的任何点，马达所要求的扭矩和速度。然后，该功率要求搜索程序用于马达图以找到最大效率点和适当的选择的齿轮比，使得马达可以在这一点上操作并且仍然向驱动轮提供必要的扭矩和速度。进一步假定：齿轮箱的响应将足够迅速勇以跟随这些变化的要求。因此，图3中所示的结果有效地描述了在所选择的NEDC驱动周期中的电动机使用。从图3中所得到的图像可以清楚地看出，结果遵循电动机的最大效率的标称线。通过算法选择的齿轮比实现这一点，如图4所示。

齿轮比

时间

图4 通过优化策略选择齿轮比

3.3具有多变传动比的电动汽车（EV)

图5所示的结果是指假设四速变速箱安装在变速器中的情况。在与图4的结果进行比较和检查之后，以比较主观的方式来选择合适的比率，得到的是2.5,1.5,1和0.8四种比率。在实践过程中，传动比的选择都将是自动进行，而不是如传统的IC发动机车辆那样手动进行的。这里，为了方便使用简单的齿轮选择策略来进行选择：

对于恒速运行的车辆，选择最高的档位（即最低数字比率）

当汽车加速时，该比率仅基于速度 - 使得对于不同的速度范围0到100,100到200,200到300和300到800rad / s选择上述比率。不建议这是最佳的选择方案，但选择这种方法来理解能量使用预测对实际设计问题的敏感性是很好的。

然后对于另外两个齿轮箱重复该实验：

3速度比为2,1和0.8,2速度，速比范围为0-300和3 00·800 rad / S，比率为2和0.8，2齿轮系统的电机工作点为如图6所示。

转矩（牛。米）

转矩（牛。米）

电动机转速（转/秒）

电动机转速（转/秒）

图5具有四个传动比的电动机操作点。 图6具有两个传动比的工作点。

结果总结在表2中，显示出了在NEDC周期内车辆的不同齿轮系统的相对能量消耗。由于安装附加齿轮箱时所产生的改进效果在NEDC周期内实际上是相当小的。实际上改进所产生的效果将立即被齿轮箱本身的额外的有效损失抵消，这在本次实验过程中最初是被忽略的。这种齿轮传动装置的潜在优点之一可能就涉及驾驶性能的改善。 例如，固定齿轮的车辆加速时从0到100km / h的加速时间为1 8.3S，而仅有2个齿轮的车辆，这个百公里加速时间会减少到12.4S。然而最高速度为183km / h的车速却保持不变。

表2 NEDC循环中不同齿轮箱的效率改进

这个结论提出了简单齿轮传动系统的优点之一将是减小电动机，但仍保持相同的驾驶性能的可能性。这是否是实用的建议将在很大程度上取决于具体的车辆应用，以及相对于质量，滚动阻力和空气动力阻力的关键车辆性质选择的电动机的详细特性。例如，虽然NEDC被广泛用作标准驱动周期，但是从电动机请求的峰值功率仅为2 1.9kW。实际上，电动机的峰值功率将必须是该值的大约两倍，以便提供足够的高水平的加速性能勇以满足客户的需求。

3.4驱动周期的影响

汽车工业在寻求开发出新能源高效车辆方面现在面临着一个基本的问题，那就是如何能够对竞争设计过程中进行稳健比较的方法。迄今采用的方法在很大程度上取决于标准的驾驶循环。这从科学角度来说是可以提前防御的，因此车辆在设计之后在类似的输入条件下进行比较。然而，主要问题之一是研究究竟是什么构成了典型的驾驶循环是不可避免地，这导致了许多所谓的标准驾驶循环的发展滞后了许多。这些在一定程度上反映了三个主要世界市场（欧洲，美国和远东）的不同驾驶模式。

这个问题的一些想法在表3中非常突出地显示了出来，其中电动汽车（EV）结果重复六个不同的驱动周期。这些结果有些更有前途。在六个循环中的其中四个，使用无级变速器的改进都是在9.6和1 2.4％之间。虽然其中一些效率增益将通过传输损失而损失，但仍有一些值得利用的收益余下来并被利用。当然，这些也将针对额外的条件，例如它的重量和复杂性。然而，在IC发动机车辆中，这种简单的小的效率增益将被认真考虑 ，作为对可能的任何效率增益的不懈追求的一部分。因此，随着电动车辆变得更加普遍，几乎全部的汽车公司都将寻找出所有潜在的

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