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本文通过在某纯电动汽车基础上搭载AMT，在主减速比不改变的情况下，对AMT的挡次与传动比进行匹配，获得1、2挡的最优传动比方案。然后对其动力与经济性进行分析，使其满足设计要求。
1参数匹配设计
在进行仿真建模前，首先要进行的基础工作是根据设计要求的性能，确定汽车各项参数，是整个仿真分析的重要环节。纯电动汽车主要参数包括电机参数、电池参数、整车参数、车轮参数、变速器参数等。
1.1整车参数
表1整车基本参数
Tab.1Parametersofcompletemotorcycle
1.2电机参数
电机是整个汽车的动力来源，电机的类型、型号、匹配的各项参数都极大程度地影响着汽车的经济性和动力性。如电机的基速和最高转速的选择对整车的加速性能起着决定作用。该电动汽车采用的是永磁同步电机，该电机满足设计要求，故电机采用原车电机。电机参数如表2所示。
表2电机参数
Tab.2Parametersofthemotor
1.3电池参数
该车的电池采用的是锂电池。锂电池相对于传统的铅酸电池具有许多优点，具有较高的能量密度、寿命长、可长时间循环使用，且安全系数相对较高，运用范围广，常被用在混合动力汽车和纯电动汽车上。电池参数如表3所示。
表3电池参数
Tab.3Parametersofthebattery
1.4传动比理论计算
在电机、电池、整车参数都确定的情况下，根据设计要求计算出理论上需要匹配的两挡速比，满足汽车的经济性动力性性能要求。设计要求如表4所示。
表4设计要求
Tab.4Designrequirement
汽车的主减比是确定的，故只要确定两个挡位的速比即可。先确定一挡传动比，一挡传动比确定时主要的约束因素最大爬坡度对应的电机扭矩和地面附着力。驱动力要大于行驶阻力，汽车传动比越大，爬坡能力越强。同时还要满足汽车行驶条件，汽车的驱动力必须小于轮胎的道路附着力，否则就会出现打滑现象。
式中：Fαmax——最大爬坡度对应的行驶阻力，包括滚动阻力F
f，爬坡阻力F
i，最低通过速度的风阻F
w，Fαmax=Ff+Fi+Fw；Tmax——驱动电机在一定的转速下的最大扭矩；
η——驱动电机的机械效率；FN——驱动轮垂直反力，
hg——汽车整车质心离地的距离；αmax——最大爬坡角度）；
φ——附着系数；i1——1挡传动比。
代入数据后，得到1挡传动比i1的取值范围为[0.85，2.42]。
再确定高挡位速比。高挡对应着高速以及电动机的高转速，并且要保证在高速运动时，驱动电机必须在恒功率内，此时最高车速大于额定转速下的汽车行驶车速，可确定二挡传动比i2
式中：ne——额定转速；r——汽车滚动半径；umax——汽车最大行驶速度；i2——2挡传动比，i0——主减速比。代入数据后，得到i2的范围是[0.39，0.84]。
综上所述，i1[0.85，2.42]，i2[0.39，0.84]。
2建模与仿真分析
2.1仿真模型建立
Cruise软件可以搭建多种结构形式的汽车传动系统模型，并可针对性地制定多种汽车性能仿真任务，整车模型模块包括整车模块、驾驶室模块、减速器模块、电机、电池、车轮和制动器等模块。本文中，采用Cruise软件建立加载与未加载AMT两种整车纯电动汽车模型。加载AMT的仿真模型较之单级减速器纯电动汽车模型更为复杂，主要多加入了2挡AMT、AMT控制器、换挡策略模块、换挡策略控制模块、离合器模块等，在各模块中输入各项参数，对比未加载AMT两种模型进行仿真实验。图1是利用Cruise软件建立的汽车整车模型。
图1汽车整车模型
Fig.1Automotivevehiclemodel
2.2仿真过程
根据经过理论计算得出的速比范围，两挡速比组合有多种可能性。为了避免换挡时间和换挡冲击造成的部件磨损等不良情况，有一定的约束条件。选择速比组合是要遵循一定的原则：（1）低挡时既要保爬坡性能，又要使电机运行在高效区；（2）高挡时既要保证高车速，又要尽可能地降低电机的转速；（3）能够使换挡时间和换挡冲击降低。
为避免上述情况发生，引入恒功率系数β，β一般取2～4，即2≤（i1/i2）≤4。
图2是功率与车速关系图，从图2可以直观地看出发生功率中断现象。为了避免发生此现象，影响换挡的流畅性，要使2挡在额定转速下的牵引力大于等于1挡在最高转速下的牵引力，即
所以得出两挡之间的比值2≤（i1/i2）≤2.3，在此区间，通过比对经济性、动力性，选择最优速比组合。
图2车速功率关系图
Fig.2Vehiclespeedandpowerdiagram
从表5可知，选择在理论速比的边缘都达不到设计要求，选择较低的速比时达不到爬坡度要求，仅为25%左右。而选择理论速比较高的情况下，最高速度无法突破120km/h，同样达不到设计要求。随着速比的增高，虽然爬坡度越来越大，但其他指标相应降低，速度、续航里程明显下降。现实生活中，城市道路并没有太多高而陡的坡路，不会以爬坡度为主要设计，而是以速度作为动力性的考量值，续航里程作为经济性考量值来选择速比的首要考虑因素。为了能够达到既要满足高速、爬坡度、续航里程等要求，又能满足两个挡位相差不大从而使换挡冲击会相对较低，从表中看来，选择1挡1.34，2挡0.57，是较符合设计要求的。
表5不同速比组合性能分析
Tab.5Performanceanalysisofdifferentspeedratiocombinations
2.3仿真结果分析
（1）电池状态SOC的分析。从图3可以看出，一个NEDC工况的电池电量变化大概为3.6%，理论计算下来，可以循环29个NEDC工况。在整个工况下，SOC变化较平稳。在前期，车速较低，电机功率需求小，SOC下降慢，随着速度增大，电机需求的功率逐渐升高，所以对应着SOC迅速下降。直到曲线末端，即停车时，SOC变化量几乎为0，是因为纯电动汽车怠速电机无需运转，随着电机停止立即停车，不消耗电量。
图3SOC变化图
Fig.3ChangeofSOC
（2）加速工况分析。如图4所示，右侧框图中分别为速度曲线、电机扭矩曲线、汽车的加速度曲线、行驶的距离曲线。加速过程中，随着车速越来越大，汽车的扭矩越来越小，加速度也从开始的4m/s2降低到了0.48m/s2。那是因为随着速度越来越接近稳定值，加速度逐渐稳定下来。加速前期，车速变化迅速；加速后期，电机达到最大功率后，车速变化逐渐趋于平缓。根据Cruise软件的result报告，得到该车具体的全负荷加速任务结果，该车由静止加速至100km/h所需时间为23.20s，行驶距离为428.96m。
图4车速0-100km/h变化图
Fig.40-100km/hchangeofvehiclespeed
（3）最大爬坡度结果分析。图5是该车用驱动电机的电机扭矩图，其最大扭矩150N·m，启动电机时，电机开始处于恒扭矩状态，在这段时间内，汽车爬坡能力强，爬坡度恒定。汽车最大爬坡度是汽车动力性能的一个重要指标，本文匹配对象的爬坡度曲线如图6所示。由图6可知，该车在速度为0～17km/h时，汽车电机处在恒扭矩状态，此时的扭矩也是最大的，爬坡度几乎稳定不变，最大爬坡度为38.15%。随着速度的增大，电机扭矩慢慢下降，爬坡度也随之下降，汽车电机处于恒功率工作区间，输出的最大功率保持恒定，所以车辆最大爬坡度随车速的增加不断减小。对比有无加载AMT的爬坡能力，在加载了AMT的爬坡度增长了15%，性能提升。
图5电机扭矩图
Fig.5Motorandtorquediagram
图6汽车爬坡度
Fig.6Carclimbingdegree
（4）最大速度结果分析。该车最高车速曲线如图7所示。根据Cruise软件的result报告，载有AMT的最高速度达到138km/h，而没有载有AMT的最高速度只能达到105km/h左右，最高速度得以大幅提高。
图7汽车速度曲线图
Fig.7Carspeedcurve
（5）续驶里程结果分析。如图8、图9所示，两图均反映了汽车续航里程数。图8为Cruise软件的exult文字报告，这项报告显示NEDC循环工况时，工况的行驶里程为301km，在这段里程中，燃油消耗率为0，CO，NO等一些氧化物有害物质为0，正验证了纯电动汽车无污染气体排放，环保清洁。图9清晰地体现了汽车的续航里程数。根据前部分分析电池SOC消耗量，一个循环工况电池组SOC变化量为3.6%，理论计算可知该车理论可以循环29个NEDC循环工况，理论续驶里程S=300km。通过仿真分析，得出的结果也与理论值十分相近。
图8续航里程报告
Fig.8Cruisingrangereport
图9NEDC续航里程
Fig.9NEDCcruisingrange
（6）仿真结果与设计目标对比。针对开发车型的Cruise仿真结果与开发前的设计目标对比结果如表6所示，经过理论设计匹配的整车传动系统参数满足设计要求。
表6设计目标对比结果表
Tab.6Comparisonresultofdesigntarget
3结论
本文首先对一款纯电动汽车的传动系加载AMT的速比组合进行选择，然后对其进行建模和仿真。通过建立NEDC工况巡航下测算最大速度、最大爬坡度和加速度任务，得出该车动力性指标，通过续航里程，百公里油耗测试得出经济性指标。仿真结果显示，通过匹配AMT后的动力系统爬坡度提高15%，速度提高33km/h，续航里程提高了46km，满足设计要求。
作者：钟君思丨湖南科技大学机电工程学院
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