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摘 要：目前，纯电动汽车多搭载单级减速器以适应不同工况，但由于单级减速器的局限性使得驱动电机在多工况下无法工作在高效率区间，尤其是在高速行驶时，汽车阻力增大，此时驱动电机工作在恒定功率工况，导致中后段加速能力降低，影响高速行驶的安全性，同时高车速时驱动电机效率降低，导致整车续航里程下降，经济性降低，因此对纯电动汽车匹配CVT无级变速器具有重要意义。
关键词：纯电动汽车 驱动电机 高速行驶 CVT无级变速器
Research on Parameters of Continuously Variable Transmissions Matching Pure Electric Vehicles
Yang Zhengwei
Abstract：At present， most pure electric vehicles are equipped with single-stage reducers to adapt to different working conditions. However， due to the limitations of single-stage reducers， the driving motor cannot work in the high efficiency range under multiple working conditions， especially when driving at high speed， the vehicle resistance increases. At this time， the driving motor works at constant power condition， which leads to the reduction of acceleration ability in the middle and rear sections， and affects the safety of high-speed driving. At the same time， the efficiency of the drive motor is reduced at high speed， which leads to the decrease of vehicle mileage and economy. Therefore， it is of great significance to match CVT for pure electric vehicles.
Key words：electric vehicle， drive motor， high speed driving， CVT
1 引言
截至2020年底，全国新能源汽车保有量达492万辆，占汽车总量的1.75%，比2019年增加111万辆，增长29.18%。其中，纯电动汽车保有量400万辆[1]，占新能源汽车总量的81.32%。新能源汽车增量连续三年超过100万辆，呈持续高速增长趋势[2]。但是电动汽车高速行驶续航里程和中后段加速性能一直是各公司急需解决的问题之一。
采用单级减速器不利于高电驱动总成系统的效率[3]，这是因为单一传动比通常无法同时兼顾纯电动乘用车的动力性和经济性，行驶过程中驱动电机多数情况下无法处于高效率工作點，尤其是在最高车速以及低负荷条件下[4]，驱动电机效率一般会降至60-70%以下，严重浪费了车载电能而减少续驶里程[5-6]。
本文针对某A-级纯电动汽车进行动力系统的重新匹配，在原有电池、电机等部件参数不变的前提下，通过搭载机械式无级变速器，对整车的动力性和经济性进行重新设计，并通过Cruise仿真软件进行仿真分析。
2 整车参数
本文以某款小型纯电动车为设计优化目标，其整车相关参数如表1所示。
3 搭载单级传动比电动汽车模型
搭载电机传动比的纯电动汽车主要设计参数为固定传动比的确定，传动比的确定要依据最高车速和最大爬坡度来计算，根据其常用工况确定其传动比为6.12。利用AVL CRUISE软件进行整车模型的搭建，其中整车参数如表1所示，其CRUISE模型如图1所示，根据所建立模型进行相关参数的分析。
3.1 汽车百公里电耗
在NEDC工况下的百公里电耗是纯电动汽车经济性的重要指标之一，百公里电耗与汽车自身车重有很大关系，纯电动汽车由于大容量电池组的加入本身自重回比燃油车重很多，因此纯电动车的百公里电耗优化具有重要意义。
3.2 汽车100km/h-120km/h加速时间
汽车的0-100km/h加速性能是其动力性的重要指标之一，但是高速区间的加速性能与行车安全也有重要关系，纯电动汽车搭载的电机具有低速恒扭矩，高速恒功率特性，这种性能决定了一般纯电动汽车的中后段加速性能较差，优化中后段的加速性能可以更大程度上提高高速行车安全性，本文选取汽车100 Km/h加速至120Km/h的加速时间作为其高速性能指标之一。
3.3 汽车高速匀速行驶百公里电耗
纯电动车在城市工况下具有良好的经济性和动力性，尤其是在拥堵时相较燃油车有较大优势，一旦进入高速行驶区间，电耗会有较大提高，影响高速行车里程，目前高速服务区充电桩配置不全，车主容易产生里程焦虑，因此高速电耗优化具有重要意义。根据高速行驶常用工况，本文选取100km/h匀速行驶时百公里电耗作为评价指标。
3.4 对选用模型在NEDC工况下进行仿真，可得各项指标的仿真结果如下
（1）该电动车在NEDC工况下百公里电耗为13.88（kWh/100km）。
（2）该电动车由100 Km/h加速到120Km/h的时间为4.7s。 （3）该电动车在110Km/h匀速行驶时百公里电耗为19.1（kWh/100km）。
4 搭载机械无级变速器纯电动汽车模型
保持纯电动汽车其他关键参数不变，在传动系统中加入 CVT无级变速器并进行相关参数的匹配，主要涉及参数为CVT无级变速器的换挡策略和传动比范围的设计。根据常见CVT无级变速器的传动比范围和纯电动车特性，选择其传动比范围为0.66-2.73，设定其换档策略如图2所示，其中a为当前车速，b为负载信号，c为无极变速器传动比。
4.1 搭载CVT无级变速器汽车模型
在纯电动汽车模型中加入CVT无級变速器后需要对其进行控制，因此还需加入无级变速器控制模块，使汽车在不同工况下匹配到对应的传动比，让驱动电机保持在高效率区间，其模型及信号连接如图3、图4所示。
搭载CVT无级变速器的纯电动汽车相关参数计算及仿真结果如下：
（1）该电动车在NEDC工况下百公里电耗为15.68（kWh/100km）。
（2）该电动车由100 Km/h加速到120Km/h的时间为3.25。
（3）该电动车在110Km/h匀速行驶时百公里电耗为17.3（kWh/100km）。
4.2 仿真数据对比分析
本文的主要目的是研究通过搭载CVT无级变速器优化纯电动汽车的相关参数指标，将搭载单级减速器和CVT变速器的纯电动汽车主要参数进行对比分析如表2所示。
5 结语
本文利用AVL CRUISE软件对搭载单级减速比和CVT无级变速器的纯电动汽车主要性能指标进行对比分析，通过仿真计算得出搭载无级变速器的纯电动汽车其 100 km/h-120 km/h加速时间减小了30.8%，中后段加速性能提升明显，有利于高速行车的安全性。其110 km/h匀速行驶电耗降低了9%，有效提高了高速续航里程，降低了车主续航焦虑。但是搭载无级变速器的车型其百公里电耗增加了12.9%，这主要是由于CVT无级变速器的加入增大了整车重量。通过对比可以得到通过对纯电动汽车匹配无级变速器可以增加汽车的高速性能，但是还需通过优化传动比和电机匹配来解决经济性问题。
注：三门峡职业技术学院项目“匹配纯电动轿车的无级变速器设计与研究”（SZY-2020-076）。
参考文献：
[1]我国纯电动汽车发展概况及展望[J].南方农机，2020.
[2]电动汽车用行星齿轮无级变速设计与仿真研究.大连理工大学，2019.
[3]基于纯电动汽车的精简型无级变速器速比设计和成本分析.汽车技术，2015.
[4]搭载无级变速器纯电动汽车动力性.承德石油高等专科学校学报，2014.
[5]搭载机电控制CVT纯电动汽车驾驶性研究.重庆理工大学，2017.
[6]基于Cruise的纯电动汽车性能仿真及测试验证.汽车工程师，2019.
关键词：纯电动汽车 驱动电机 高速行驶 CVT无级变速器
Research on Parameters of Continuously Variable Transmissions Matching Pure Electric Vehicles
Yang Zhengwei
Abstract：At present， most pure electric vehicles are equipped with single-stage reducers to adapt to different working conditions. However， due to the limitations of single-stage reducers， the driving motor cannot work in the high efficiency range under multiple working conditions， especially when driving at high speed， the vehicle resistance increases. At this time， the driving motor works at constant power condition， which leads to the reduction of acceleration ability in the middle and rear sections， and affects the safety of high-speed driving. At the same time， the efficiency of the drive motor is reduced at high speed， which leads to the decrease of vehicle mileage and economy. Therefore， it is of great significance to match CVT for pure electric vehicles.
Key words：electric vehicle， drive motor， high speed driving， CVT
1 引言
截至2020年底，全国新能源汽车保有量达492万辆，占汽车总量的1.75%，比2019年增加111万辆，增长29.18%。其中，纯电动汽车保有量400万辆[1]，占新能源汽车总量的81.32%。新能源汽车增量连续三年超过100万辆，呈持续高速增长趋势[2]。但是电动汽车高速行驶续航里程和中后段加速性能一直是各公司急需解决的问题之一。
采用单级减速器不利于高电驱动总成系统的效率[3]，这是因为单一传动比通常无法同时兼顾纯电动乘用车的动力性和经济性，行驶过程中驱动电机多数情况下无法处于高效率工作點，尤其是在最高车速以及低负荷条件下[4]，驱动电机效率一般会降至60-70%以下，严重浪费了车载电能而减少续驶里程[5-6]。
本文针对某A-级纯电动汽车进行动力系统的重新匹配，在原有电池、电机等部件参数不变的前提下，通过搭载机械式无级变速器，对整车的动力性和经济性进行重新设计，并通过Cruise仿真软件进行仿真分析。
2 整车参数
本文以某款小型纯电动车为设计优化目标，其整车相关参数如表1所示。
3 搭载单级传动比电动汽车模型
搭载电机传动比的纯电动汽车主要设计参数为固定传动比的确定，传动比的确定要依据最高车速和最大爬坡度来计算，根据其常用工况确定其传动比为6.12。利用AVL CRUISE软件进行整车模型的搭建，其中整车参数如表1所示，其CRUISE模型如图1所示，根据所建立模型进行相关参数的分析。
3.1 汽车百公里电耗
在NEDC工况下的百公里电耗是纯电动汽车经济性的重要指标之一，百公里电耗与汽车自身车重有很大关系，纯电动汽车由于大容量电池组的加入本身自重回比燃油车重很多，因此纯电动车的百公里电耗优化具有重要意义。
3.2 汽车100km/h-120km/h加速时间
汽车的0-100km/h加速性能是其动力性的重要指标之一，但是高速区间的加速性能与行车安全也有重要关系，纯电动汽车搭载的电机具有低速恒扭矩，高速恒功率特性，这种性能决定了一般纯电动汽车的中后段加速性能较差，优化中后段的加速性能可以更大程度上提高高速行车安全性，本文选取汽车100 Km/h加速至120Km/h的加速时间作为其高速性能指标之一。
3.3 汽车高速匀速行驶百公里电耗
纯电动车在城市工况下具有良好的经济性和动力性，尤其是在拥堵时相较燃油车有较大优势，一旦进入高速行驶区间，电耗会有较大提高，影响高速行车里程，目前高速服务区充电桩配置不全，车主容易产生里程焦虑，因此高速电耗优化具有重要意义。根据高速行驶常用工况，本文选取100km/h匀速行驶时百公里电耗作为评价指标。
3.4 对选用模型在NEDC工况下进行仿真，可得各项指标的仿真结果如下
（1）该电动车在NEDC工况下百公里电耗为13.88（kWh/100km）。
（2）该电动车由100 Km/h加速到120Km/h的时间为4.7s。 （3）该电动车在110Km/h匀速行驶时百公里电耗为19.1（kWh/100km）。
4 搭载机械无级变速器纯电动汽车模型
保持纯电动汽车其他关键参数不变，在传动系统中加入 CVT无级变速器并进行相关参数的匹配，主要涉及参数为CVT无级变速器的换挡策略和传动比范围的设计。根据常见CVT无级变速器的传动比范围和纯电动车特性，选择其传动比范围为0.66-2.73，设定其换档策略如图2所示，其中a为当前车速，b为负载信号，c为无极变速器传动比。
4.1 搭载CVT无级变速器汽车模型
在纯电动汽车模型中加入CVT无級变速器后需要对其进行控制，因此还需加入无级变速器控制模块，使汽车在不同工况下匹配到对应的传动比，让驱动电机保持在高效率区间，其模型及信号连接如图3、图4所示。
搭载CVT无级变速器的纯电动汽车相关参数计算及仿真结果如下：
（1）该电动车在NEDC工况下百公里电耗为15.68（kWh/100km）。
（2）该电动车由100 Km/h加速到120Km/h的时间为3.25。
（3）该电动车在110Km/h匀速行驶时百公里电耗为17.3（kWh/100km）。
4.2 仿真数据对比分析
本文的主要目的是研究通过搭载CVT无级变速器优化纯电动汽车的相关参数指标，将搭载单级减速器和CVT变速器的纯电动汽车主要参数进行对比分析如表2所示。
5 结语
本文利用AVL CRUISE软件对搭载单级减速比和CVT无级变速器的纯电动汽车主要性能指标进行对比分析，通过仿真计算得出搭载无级变速器的纯电动汽车其 100 km/h-120 km/h加速时间减小了30.8%，中后段加速性能提升明显，有利于高速行车的安全性。其110 km/h匀速行驶电耗降低了9%，有效提高了高速续航里程，降低了车主续航焦虑。但是搭载无级变速器的车型其百公里电耗增加了12.9%，这主要是由于CVT无级变速器的加入增大了整车重量。通过对比可以得到通过对纯电动汽车匹配无级变速器可以增加汽车的高速性能，但是还需通过优化传动比和电机匹配来解决经济性问题。
注：三门峡职业技术学院项目“匹配纯电动轿车的无级变速器设计与研究”（SZY-2020-076）。
参考文献：
[1]我国纯电动汽车发展概况及展望[J].南方农机，2020.
[2]电动汽车用行星齿轮无级变速设计与仿真研究.大连理工大学，2019.
[3]基于纯电动汽车的精简型无级变速器速比设计和成本分析.汽车技术，2015.
[4]搭载无级变速器纯电动汽车动力性.承德石油高等专科学校学报，2014.
[5]搭载机电控制CVT纯电动汽车驾驶性研究.重庆理工大学，2017.
[6]基于Cruise的纯电动汽车性能仿真及测试验证.汽车工程师，2019.