采用单级减速器和两档变速器的纯电动轿车性能对比研究_一汽技术中心_刘建康

采用单级减速器和两档变速器的纯电动轿
车性能对比研究

刘建康，王燕
（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春市创业大街1063号）

[摘要]以某款纯电动轿车为研究对象，根据整车性能指标，分别针对单级减速器和两档变速
器方案，对其动力总成参数进行匹配；基于AVL CRUISE和MATLAB/ SIMULINK软件平台，搭
建整车动力性经济性仿真模型和控制策略模型，对两种方案的动力性经济性进行仿真，然后
对结果进行综合分析，得出结论，EV车型搭载两档变速器能够改善车辆经济性，但动力性
较单级减速器方案差。
关键词：纯电动；单级减速器；两档变速器;仿真
主要软件：AVL CRUISE; MATLAB/SIMULINK

Study on Performance of Pure Electric Vehicle with or Without
Transmission

Liu Jiankang, Wang Yan
China FAW Co.,Ltd. R&D Center, Changchun Chuangye street 1063

[Abstract] Based on target performance, powertrain parameters are respectively matched for an
EV with a single-gear transmission or a two-gear transmission. Based on AVL CRUISE and
MATLAB/SIMULINK, the simulation model and control strategy are created, then the vehicle
performance is simulated, finally the result is analyzed.
Keywords: EV; Single-gear Transmission；Two-gear Transmission; Simulation
Software: AVL CRUISE; MATLAB/SIMULINK
1. 前言
由于工作特性要求，车辆需求动力源在低速时输出大扭矩，高速时输出恒功率，传统内
燃机输出特性无法与车辆直接匹配，需要匹配一个多档变速器满足车辆需求。对于纯电动汽
车而言，由于电机具有与传统内燃机不同的工作特性，在低速时能够输出大扭矩，高速时能
够输出恒功率，因此电机特性能够基本与车辆需求吻合，无需增加多档变速器，只需增加一
个单级减速器或者两档变速器即可。
单级减速器（如图1-1）方案传动效率高、资源丰富、开发难度小，效率较高，基本可
满足中小型纯电动整车要求，目前量产车型（Leaf、BMWi3、大众e-up等）大多数采用固
定速比的减速器，但是单级减速器方案需求电机扭矩较大、转速较高，无法有效控制电机运
行状态；两档变速器（如图1-2）方案可减小电机扭矩、转速，降低电机设计难度，优化电
机运行状态；但两档变速器增加了换挡机构，结构较复杂，效率稍低，需重新开发。
图1-1 单级减速器示意图 图1-2 两档变速器示意图
2.动力总成参数匹配
本文以某款纯电动轿车为研究对象，基于整车性能目标对其动力总成（电机、电池、传
动系）参数进行初步匹配，其整车构型如图2-1所示，整车及性能参数如表2-1所示。

电机
动力电池
整车控制器
电池
管理系统

电机控制器
12V系统

高压系统
CAN
通讯

单级减速器

/两档变速器

图2-1 整车动力系统构型图
表2-1 整车参数及性能目标
项目 参数值 单位

整车参数 整备质量 1528 kg 满载质量 1908 kg 长/宽/高 4320/1780/1550 mm 轴距
2650 mm
轮胎滚动半径
335 mm
滚阻系数 0.0085 —
电附件功率
300 W

性能目标 30min最高车速 140 km/h 1km最高车速 160 km/h 0-100km/h加速
<12 s
最大爬坡度 ≥30
%
NEDC续驶里程
>200 km
动力总成参数匹配原则如表2-2所示。
表2-2 动力总成参数匹配原则

动力总成 参数匹配原则
传动
系统
单级减速器 速比同时兼顾车辆最大爬坡度和车辆最高车速

两档变速器 一档满足最大爬坡度要求，二档满足最高车速要求

动力电机
峰值扭矩满足最大爬坡度要求，峰值功率满足加速要求，额定功

率满足最高车速要求，最高转速满足最高车速要求

动力电池 功率满足电机功率要求，能量满足整车续驶里程要求
基于以上车辆参数、性能目标和匹配原则，动力总成参数匹配结果如下表2-3所示，两
种方案对应电机参数如图2-2和2-3所示。
表2-3 动力总成参数匹配结果

动力总成 总成参数 单级 减速器方案 两档 变速器方案 备注

驱动电机
峰值转矩，Nm 295 230
假设：减速器效率97%，
变速器效率95%

峰值功率，kW 108 108 满足加速性需求
最高转速，rpm 10500 8100 满足最高车速160km/h
传动系 速比 8.1 10.5/6.2
同时满足最大爬坡度和
最高车速

动力电池
峰值放电功率，kw 130 130 满足电机功率需求
可用能量，kwh 30 30 满足续驶里程要求

图2-2 两种方案对电机需求 图2-3 两种方案对应电机MAP
3. 整车模型搭建
3.1 整车CRUISE仿真模型搭建
AVL CRUISE可广泛应用于汽车性能的仿真计算，其模块化建模思想为搭建整车经济
性模型提供了方便，根据以上参数，本文基于AVL CRUISE搭建的整车动力性仿真模型如
图3-1所示，搭建的整车经济性仿真模型如图3-2所示。
其中，整车、驱动电机、减速器/变速器、动力电池等模型在AVL CRUISE中搭建，整
车经济性控制策略模型在MATLAB/SIMULINK中搭建，然后以动态链接库的形式嵌入到
CRUSIE中，从而形成完整的整车经济性仿真模型，动力性模型直接在CRUISE中搭建，不
需要SIMULINK模型。

图3-1 整车动力性仿真模型 图3-2 整车经济性仿真模型
3.2 整车控制策略模型搭建
基于MATLAB/SIMULINK 平台搭建整车控制策略模型，如图3-3所示。整车控制策略
模型主要包括三大模块：驾驶员需求模块，整车工作模式判断模块、动力总成扭矩分配模块。
驾驶员需求模块主要是根据驾驶员踏板开度等信号计算驾驶员需求扭矩、需求功率，整车工
作模式判断模块主要是根据驾驶员需求及车辆状态等信息判断车辆工作模式，动力总成扭矩
分配模块主要是根据车辆工作模式计算动力源的输出扭矩、功率等。

图3-3 整车控制策略模型
3.3变速器换挡策略分析
两档变速器方案在做整车动力性经济性仿真时需要考虑变速器换挡策略，在动力性即加
速性仿真时，一般采用CRUISE自带的最大加速度换挡规律，在做经济性仿真时，采用二
维换挡表，即根据负荷、车速，然后综合考虑电机在一档和二档的效率，制定换挡策略，其
原理和换挡规律分别如图3-4和图3-5所示。

图3-4 经济性换挡原理 图3-5 经济性换挡规律
4.仿真结果及分析结论
4.1仿真结果
基于以上模型，对两种方案分别进行动力性经济性仿真，其中动力性仿真结果如表4-1
所示，加速过程如图4-1所示，两种方案对应的驱动力-车速关系如图4-2所示。由图4-2可
见，针对同样功率级别的驱动电机，由于两档变速器效率稍低，同样车速对应的车轮端驱动
力两档变速器方案比单级减速器方案略小，导致两档变速器方案加速性略差，而且两档变速
器方案在高速段加速存在换挡，存在动力中断，所以在高速加速段（如0-100km/h和
80-120km/h）时两档变速器方案加速性较差。

表4-1 两种方案整车动力性仿真结果

动力性指标 单级减速器方案 两档变速器方案 备注
30min最高车速，km/h
140 140
与整车参数有关，

与传动系类型无关
1km最高车速，km/h

160 160

0-100km/h加速，s 8.9 10.0 参照国标
GB/T18385-2005，
AMT换挡时间约为
1s，假设单机减速器效
率0.97，两档变速器效
率0.95

0-50km/h加速，s
3.5 3.6
50-80km/h加速，s
2.7 2.8
80-120km/h加速，s
6.1 7.2
最大爬坡度，%
30 30
图4-1 两种方案对应的加速过程曲线 图4-2 两种方案的车速-车轮端驱动力对应关系
两种方案整车经济性仿真结果如表4-2所示，由此可见，两档变速器方案经济性较好，
主要是其变速器换挡能够调节电机工作点，使电机尽可能工作在高效率区间，四种工况下两
种方案对应的电机工作点如图4-3～4-6所示，可见两档变速器方案电机工作效率较高。

表4-2 两种方案整车经济性仿真结果

经济性指标 单级减速器方案 两档变速器方案 节能，% 备注
NEDC电耗，kwh/100km
14.1 13.7 2.8
与电机效率MAP
及电机工作点有关
WLTC电耗，kwh/100km
16.1 15.6 3.1

Changchun电耗， kwh/100km
12.2 11.5 5.7
US06电耗，kwh/100km
20.3 19.8 2.5

图4-3 NEDC工况下两种方案的工作点 图4-4 WLTC工况下两种方案对应电机工作点