某新型纯电动汽车减速器的匹配计算

秦家顺武磊上海海马汽车研发有限公司 2013-04-18

动力系统参数设定与匹配对纯电动汽车的动力性能影响巨大。本文对某型号电机进行动力性能匹配，并确定合适减速比，以满足整车动力性能要求。CRUISE仿真结果表明，现有驱动电动机与优化减速比后的减速器匹配能满足纯电动汽车动力性能要求。

电动机功率密度、电池能量密度及控制系统等技术的发展，推动了纯电动汽车的普及应用。纯电动汽车具有电动机效率高、动力传动系统简单等优点。电动机性能的优劣直接影响到减速器匹配，进而影响到整车动力性能。本文计算基于公司新开发的一款纯电动汽车，对现有驱动电动机进行减速比匹配计算，以满足整车动力性要求。
　　
减速器匹配计算

电动汽车的动力性能主要取决于动力单元的性能及其各单元的优化匹配，在现有电动机的前提下如何进行合理匹配减速器至关重要，根据设计要求，本文设计的电动汽车最高车速150km/h，最大爬坡度30%，0～100km/h加速时间12s，相关整车参数见表1。

现有电动机的额定转速nb和最高转速nmax分别为3000r/min和6000r/min；额定功率和峰值功率分别为35kW和70kW；额定转矩和峰值转矩分别为110Nm和220Nm。在n≤nb时，电动机获得恒定转矩输出Tmax；n＞nb时，电动机以恒定功率输出Pmax。由电动机机械特性曲线（见图1）可知，电动机恒功率区系数β=nmax/nb=2，满足一般设计值2～3的范围。

图1 电机机械特性曲线

电动机工作在额定功率区域且转速最高时，选择合适的传动比能够使汽车达到最高设计车速，此时变速器的传动比为最小传动比。

（1）

通过公式（1）计算在满足最高车速150km/h时所需减速比。其中，ma——汽车行驶速度，单位为km/h；

n——道路坡度，单位为%；

ig——变速器传动比；

io——主减速器的传动比；

r——车轮滚动半径，单位为m；

经过计算后得出igio=4.63。

2. 确定最大传动比

最大传动比的影响因素包括最大爬坡度、附着率及汽车最低稳定车速。附着率需要考虑轮胎和路面的情况，此处暂不考虑；对于汽车最低稳定车速，由于电动机可以在低转速区获得恒定转矩输出，因此最大传动比不受其限制，本文计算主要考虑最大爬坡度的影响。

汽车爬陡坡时，车速很低，可以忽略空气阻力，因此，汽车最大传动比要满足：

（2）

Ttq——电动机转矩，单位为Nm；

G——作用于汽车上的重力G；

ƒ——滚动阻力系数；

amax——最大爬坡角度，单位为（°）；

经过计算得出igio=8。

通过上述计算分析知，在满足最高车速150km/h时，减速比最小为4.63；在满足最大爬坡度30%时所需要最大减速比为8。同时，可以分别作出满足最高车速及最大爬坡度减速比时对应的爬坡度－车速曲线（见图2和图3）。

由图2可知，在最小减速比为4.63时，能够达到最高车速的需求，但最大爬坡度较小；由图3可知，在最大减速比8时，满足最大爬坡度却无法满足最高车速。因此，单级减速比无法满足设计要求，而采用初步计算的最小、最大减速比的两级速比能够满足整车性能要求。

本设计采用交流驱动电动机，需考虑城市工况常用车速及最高车速点的位置，其中城市工况常规车速一般落在基转速nb区域，最高车速取自驱动功率与行驶阻力功率的平衡点处。最高车速一般在nmax的90%～95%处取得，故将最小减速比优化为4.2，最大减速比仍为8。

由优化速比后的功率平衡曲线（见图4）可知，此型号驱动电动机搭载优化后的两级速比变速器能够满足常规车速行驶平衡点及最高车速行驶平衡点要求。1挡速比在恒转矩区域末端的a点，即基速位置区域达到常规车速行驶平衡，电动机开始恒功率输出，此时车速约50km/h；当车速提升到b点时，换入2挡继续进行恒功率输出，直到达到行驶阻力与驱动力平衡，即得到最高车速。本文设定在b点时达到换挡点，此时等功率区域能够较好的衔接起来，并能够最大程度地发挥其加速性能。