摘要：面对当前能源不断短缺的现状以及日益提升的环保需求，传统的汽车行业受到了很大的冲击，对新能源的开发利用己成为未来一段时间内主要趋势，在此环境下电动车以其优越的节能环保性受到越来越多的关注。变速器作为匹配动力源与车辆的桥梁，其参数的合理设计能够有效的增强整车动力性能和经济性能，应用于电动汽车上也能降低驾驶条件对于电机性能的要求，在车辆传动系统中是十分重要的部件。而在动力性能匹配方面，无级变速器相对于传统有级变速器能更加充分的匹配动力源与车辆。本文主要针对电力机械无级变速器进行研宄。
关键词：无级变速器；电力机械；优化设计；特性研究
1 引言
随着现今石油等能源的日益匮乏，全球气候变暖等环境问题的不断凸显，“节能环保”己经成为当今社会发展的主要议题。传统的燃油汽车在能源来源、能源利用效率和对环境的影响等方面存在显著的缺点，从传统能源汽车向新能源汽车的转变已是势在必行。今后很长一段时间内汽车行业重点的发展方向。
2 电力机械无级变速器优化设计
2.1 车用永磁同步电机
目前电动车多采用永磁同步电机作为动力源，对应汽车不同行驶工况可在电动和发电两种状态间切换。正常行驶时，动力电池组内的化学能通过电机转化为机械能输出至行走机构；在刹车或滑行时，电机进入发电工作模式，回收系统机械能转化为电能存储与电池组中，对于车用永磁同步电机，转速、转矩、功率和效率是其主要的特征参数，图3.2表征了其关键特征参数、转速转矩关系以及功率特性曲线。电机的效率是选择电机时的重要参考，它表征了电机转化电能的能力，一般定义为电机输出轴机械功率和输入轴电功率的比值，在对电机和工作系统进行选型匹配时则希望电机工作点更多的落在高效区间内。永磁同步电机的平均效率相对较高，通常最高效率可达95％左右，这也是其作为电动汽车驱动电机的一个主要原因。
2.2 传动方案确定
将多个一段式行星排串联而成的多段式行星排组能够较好的扩充传动系统的调速范围，但多个单排复合势必会增加行星排的复杂程度，其机械成本和重量将大幅增加。本文旨在研宄电力机械无级传动特性，且后续仅准备搭建相应的小型试验台架，暂不考虑倒档问题，受实验成本所限，决定采用二段式行星排组。针对传动方案的设计有以下几项指标：（1）传动系统速比变化范围较大；（2）段位内功率分流比ｐ连续，防止出现功率波动；（3）｜ｐ｜最大值较小且相对反速比ｒ关系曲线变化平缓；（4）考虑到调速电机转速范围，电机转速比e应尽可能小，初步限定在（－3，3）之间；（5）为提高能量利用率，该系统效率应量高。
2.3 电力机械无级变速器参数优化设计
变速器结构参数的大小直接决定了其传动效率和调速性能，且此优化为多元非线性优化，采用一些常规优化方法如最快下降法、梯度法等难以解决。近些年来智能优化算法不断发展，诸如神经网络、遗传算法、蚁群算法、粒子群算法、禁忌搜索及其混合优化策略等算法在理论研究和实际应用中均取得较大进展，其理论包含数学、物理、生物、人工智能、神经科学和统计学等方面，这些算法的发展与研究使得繁复的、运算量极大的优化问题求解得以实现。
3 电力机械无级传动系统控制策略研究
3.1 控制目标
首先要满足驾驶员的基本驾驶需求，作为电动车动力源的电机的输出响应能力要强于传统的燃油发动机，应充分发挥电机该性质，在有加速需求的情况下能提供更强的动力性，在负载变化时能较快的稳定车速。其次是在满足动力需求的前提下尽可能的实现减小能耗，对于本文研宄的电力机械无级变速器实现该目的主要有以下两个方向：其一是在设计方案时尽可能减小存在功率内循环段位输出速度范围，其二是在相应调节控制时尽可能使驱动电机工作点落于高效区，以实现整体传动系统的高效化。
3.2 控制系统架构设计
在实际操作中，联系驾驶员与电动车的操作部件一般为加速踏板和换段手柄，其中换段手柄相当于一个状态调节按钮，负责改变变速器的工作段位，即车速调节区段；而在相应区段内具体的转速转矩控制则是由对加速踏板的操作来实现，加速踏板是最为最重要的输入件，对于传动系统其输入量为踏板变化量θ和变化率θ’；同时也需考虑在行驶中负载与车辆相互作用形成的实际车辆状态，主要通过实际车速反应负载变化状况，将这些车辆状态信号反馈给电机控制系统形成闭环控制即是针对电力机械无级变速器的系统结构。在控制过程中，由加速踏板开度θ和车辆状态的变化决定最终达到稳定时两电机目标工作点（即匀速工作点），而两电机特性曲线如何达到目标工作点的过程（即加速工作过程）则是由踏板变化量θ和变化率θ’控制的。
3.3 稳速策略
对于电力机械无级变速器的优化设计是以标准路况为设计前提的，但当行驶环境发生变化时，诸如路面、风力、坡度等条件的变化，若仍采用与标况下相同的驱动转矩则势必会与实际负载状态下的需求转矩有差异，进而导致汽车加速或减速直至实际驱动转矩与需求转矩相等为止。即在外界负载变化的情况下按前两节设定的控制策略，达到稳定后的实际车速v相对于给定踏板开度对应的期望车速v*会有变化，故本节将研究稳速控制策略以保证二者的一致性。在实际行驶中，若在实际车速v相对于期望车速v*稍有偏差时即进行调节，则对整个系统的精确性和即时反应性要求过高很难实现，同时实际行驶环境随时都会变化，即时调节的频繁使用会导致整个系统寿命大幅度降低。考虑到驾驶员对踏板操作意图对应的期望车速及实际驾驶感觉，在此设定当二者之差△ｖ在一定范围内时（0-5km／h），不对两电机工作点进行调节，当△ｖ超出此范围时进行稳速控制策略，调节电机工作点以保证△ｖ不超出设定范围。
4 电力机械无级变速器特性试验研究
在实际加载运行时，系统效率能保持在73％以上，最高可到87.8％，效率特性相对较好。传动系统效率η的变化趋势与仿真曲线相符，但在数值上有一定偏差，实际系统效率相较理论值平均要低5％左右，高速段相较低速段效率差值要更大。这主要是由于该试验台为课题组自行加工装配旨在对传动系统进行特性分析，在整体精度上尚未达到产品等级，故效率会受到一定影响；同时由于仿真计算时均采用理想模型，在传动损失方面仅考虑了齿轮副及轴承啮合损失，但在实际运转中会伴随零部件发热等实际损耗，故存在高速段效率损失较为严重的现象，需加强对理论模型的构建与改进。
5 结束语
无级传动技术能够完成车辆与驱动设备之间的最优匹配，在增强汽车动力性、经济性等方面有着显著的作用。在能源日趋紧张以及环保要求提高的当下，电动车将成为汽车行业的主要研宄方向。
参考文献：
[1] 武娟.曲柄摇块式无级变速传动的研究及优化设计[D].太原理工大学，2004.
作者简介：
章俊杰，出生198705，民族：汉，学历：本科，职务：技术员，机械设计制造及其自动化
郭晶晶，出生198408，民族：汉，学历：本科，职务：技术员，机械设计制造及其自动化
论文作者:章俊杰,郭晶晶
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/13
标签：变速器论文; 电机论文; 效率论文; 转矩论文; 踏板论文; 车速论文; 永磁论文; 《电力设备》2017年第31期论文;