喬斌

基于GT-driver的電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

喬斌

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，安徽蕪湖241006）

以奇瑞某車型的電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)主要參數(shù)進(jìn)行較為合理的設(shè)計(jì)和匹配.應(yīng)用遺傳算法對(duì)該系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，并基于GT-driver軟件對(duì)優(yōu)化后的整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析，其仿真驗(yàn)證了參數(shù)優(yōu)化結(jié)果能滿足整車性能目標(biāo)要求.

電動(dòng)汽車；仿真分析；傳動(dòng)系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著環(huán)境問題的日益突出，零污染的電動(dòng)汽車備受大家關(guān)注，世界汽車強(qiáng)國紛紛將研發(fā)核心逐步轉(zhuǎn)移到電動(dòng)汽車方向，特別是對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化技術(shù)的研究投入了大量的資金和人力.對(duì)于汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的兩大衡量指標(biāo)研究，涉及到動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性匹配的優(yōu)化工作十分復(fù)雜，需要一套合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，對(duì)解決電動(dòng)汽車電池問題和傳動(dòng)系統(tǒng)主要部件的參數(shù)匹配等關(guān)鍵性技術(shù)問題尤其重要，同樣也是汽車界急需解決的重大問題.

1 電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

1.1電動(dòng)汽車動(dòng)力性指標(biāo)

汽車性能的評(píng)價(jià)中，汽車動(dòng)力性指標(biāo)是最基本，最重要的性能指標(biāo).與傳動(dòng)的汽車動(dòng)力性指標(biāo)一樣，電動(dòng)汽車動(dòng)力性指標(biāo)包括最高速度指標(biāo)、最大爬坡度指標(biāo)以及加速時(shí)間指標(biāo).

（1）最高速度指標(biāo)

最高車速是指汽車在水平、良好的瀝青或水泥路面上所能達(dá)到的最大行駛速度.該性能指標(biāo)僅僅反映了汽車行駛過程的極限能力.對(duì)于電動(dòng)汽車的最高速度為：

式中，nmax為電機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min)；r為車輪的滾動(dòng)半徑(m)；igN為變速器最高檔速比；io為主減速比.

（2）最大爬坡度指標(biāo)

汽車最大爬坡度是指在良好的路面上，汽車滿載時(shí)所能行駛的最大坡度.爬坡度與汽車檔位有直接聯(lián)系.可見，汽車最大爬坡度是指I檔的爬坡能力，其計(jì)算公式為：

式中s為行駛的距離(km)，ig1為變速器一檔速比；f為滾動(dòng)阻力系數(shù).

（3）加速時(shí)間指標(biāo)

加速時(shí)間是指汽車有靜止?fàn)顟B(tài)起步，并以最大加速度連續(xù)依次換置最高檔，當(dāng)加速到一定距離或車速時(shí)所用的距離.該評(píng)價(jià)指標(biāo)是反映汽車動(dòng)力性能的最重要的參數(shù)，其表達(dá)式為：

式中G為車輛重力(kg)；Tm為電機(jī)轉(zhuǎn)矩(N·m)；η1為傳動(dòng)效率；i0為主減速比.CD為空氣阻力系數(shù)；A為車輛迎風(fēng)面積(m2).

1.2電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

電池作為純電動(dòng)汽車行駛過程的唯一動(dòng)力源，在使用過程中電池的能耗程度反映了汽車整體的經(jīng)濟(jì)性.本文關(guān)于電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要考慮續(xù)駛里程和行駛工況能耗兩個(gè)指標(biāo)來衡量電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性.

（1）續(xù)駛里程

根據(jù)電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)所采用的國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程指標(biāo)采用等速法進(jìn)行測(cè)試和評(píng)定.其中電動(dòng)汽車一般采用40 km/h速度進(jìn)行等速測(cè)試.其表達(dá)式（4）為：

式中，Q為電池額定容量(kW)；Uξ為電池端電壓(V)；m為汽車總質(zhì)量(kg)；η為電機(jī)效率；r為車輪半徑（m）；η1為傳動(dòng)系統(tǒng)效率.

（2）電動(dòng)汽車的能量消耗指標(biāo)

根據(jù)電動(dòng)汽車的能耗指標(biāo)規(guī)定，電動(dòng)汽車的能耗指標(biāo)主要包括百公里綜合耗電量和單位里程能耗兩項(xiàng)指標(biāo).該評(píng)級(jí)指標(biāo)由公式（5）單位里程能耗和公式（6）百公里綜合能耗組成：

式中T為驅(qū)動(dòng)循環(huán)時(shí)間(s)；Ce為動(dòng)力電池的額定容量(A·h)；Ue為電池額定電壓(V)；R為行駛里程(km)；ητ為額定傳動(dòng)效率.

2 傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論分析

2.1電機(jī)參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)

電機(jī)作為電動(dòng)汽車唯一的動(dòng)力源，所選的電機(jī)功率決定了整車的動(dòng)力性能.電機(jī)功率越大，所能產(chǎn)生的動(dòng)力性也就越好，但功率的大小也受電機(jī)的質(zhì)量和體積的限制.當(dāng)電機(jī)功率過大時(shí)，電機(jī)的質(zhì)量和體積也相應(yīng)增大，這樣一來，電機(jī)的工作效率從而減小，從而降低了車輛的續(xù)駛里程.對(duì)于理想的電機(jī)最大功率的設(shè)計(jì)，至少應(yīng)滿足最高車速、汽車加速度、以及最大爬坡度3項(xiàng)汽車動(dòng)力性能指標(biāo).所以，電機(jī)的額度功率設(shè)計(jì)為.

2.2傳動(dòng)比的參數(shù)設(shè)計(jì)

變速器提供不同的傳動(dòng)比，以適應(yīng)汽車行駛在不同工況下的變化.對(duì)于電動(dòng)汽車的傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)，只需滿足最高車速和最大爬坡度兩項(xiàng)指標(biāo)，即傳動(dòng)系數(shù)上限設(shè)計(jì)和傳動(dòng)系數(shù)下限設(shè)計(jì).

其中i=i0ig，ig為變速箱傳動(dòng)比；nmax為最大轉(zhuǎn)速.

其中Fimax為電動(dòng)機(jī)最大輸出扭矩(N)，Tmax最大爬坡所對(duì)應(yīng)的最大行駛阻力(N·m).

2.3電池組的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

對(duì)于電動(dòng)汽車的電池組的選擇，應(yīng)滿足兩個(gè)基本要求.第一，電池組需滿足汽車行駛的最大輸出功率要求；第二，根據(jù)電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程要求，所設(shè)計(jì)的電池組應(yīng)滿足續(xù)駛里程所需要的最小電池容量.

（1）最大輸出功率要求的電池組選擇

汽車的最大輸出功率一般出現(xiàn)在三種工況：高速行駛工況、最大加速行駛工況以及最大爬坡度行駛工況.可見，選擇合理的電池組，應(yīng)同時(shí)滿足以上三種工況下的最大功率.取其中最大值作為汽車最大輸出功率.其表達(dá)式為：

式中np1為電池組數(shù)目；Pemax為車輛最大功率（kW）；Pbmax為單位電池最大輸出功率（kW）；e1為電動(dòng)機(jī)工作效率；e2電機(jī)控制器工作效率；N為單個(gè)電池組所含的電池?cái)?shù).

（2）電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程要求的電池組選擇

續(xù)駛里程作為電動(dòng)汽車非常關(guān)鍵的性能指標(biāo)，根據(jù)國標(biāo)要求，對(duì)于電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程一般采取60 km/h的勻速行駛工況計(jì)算.其表達(dá)式為：

式中np2所求的電池組數(shù)目；L為續(xù)駛里程要求(km)；W為電動(dòng)汽車每公里所耗電能；Cb為單體電池的電壓(V)；Vb為單體電池容量(A·h)；N為單個(gè)電池組所含的電池?cái)?shù).

最后求得電池組的數(shù)量為：n=max(np1,np2).

2.4電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果

根據(jù)電動(dòng)汽車動(dòng)力性能及評(píng)價(jià)指標(biāo)的要求，結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)基本原理進(jìn)行合理，計(jì)算結(jié)果如表1所示.

表1電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

3 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化方法

汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的匹配對(duì)汽車動(dòng)力性能的發(fā)揮和汽車經(jīng)濟(jì)性的好壞起到關(guān)鍵作用.對(duì)于電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有必要結(jié)合整車性能要求，對(duì)所匹配的電動(dòng)機(jī)參數(shù)，傳動(dòng)系參數(shù)以及電池組參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.本文采用基于成熟的遺傳算法，有效解決汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中大規(guī)模復(fù)雜的優(yōu)化問題.

3.1目標(biāo)函數(shù)的建立

整車能耗和續(xù)駛里程值是評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車性能好壞的最終對(duì)象.所以本文以整車能量消耗和續(xù)駛里程為目標(biāo)函數(shù).眾所周知，對(duì)于一輛性能較高的電動(dòng)汽車而言，其保證最大續(xù)駛里程值的同時(shí)所產(chǎn)生的能耗越少.所以，本文選用基于懲罰函數(shù)法的目標(biāo)函數(shù)的建立，如下式所示，

3.2系統(tǒng)約束條件的建立

根據(jù)本文對(duì)電動(dòng)汽車性能所設(shè)計(jì)的要求，系統(tǒng)的約束條件有電動(dòng)汽車動(dòng)力性能約束條件、經(jīng)濟(jì)性能約束條件以及變速器速比約束條件.對(duì)于電動(dòng)汽車動(dòng)力性能約束條件主要有加速性能約束、爬坡性能約束和最大高車速約束，故本系統(tǒng)關(guān)于電動(dòng)汽車動(dòng)力性能約束條件的建立為公式（11）、（12）、（13）所示：

式中Ft為驅(qū)動(dòng)力（N）；Fw為空氣阻力（N）；Ff為滾動(dòng)阻力（N）；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；M為整車質(zhì)量(kg).

對(duì)于電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性約束條件包括兩個(gè)約束條件，它們分別是公式（14）所示的等速行駛時(shí)的續(xù)駛里程約束以及公式（15）所示的工況行駛時(shí)的續(xù)駛里程約束.

式中W為電池的總能量(kW)；s為工況行駛的距離(km).

對(duì)于電動(dòng)汽車相鄰的變速器檔位速比的比值對(duì)變速器的使用性能有著直接聯(lián)系，當(dāng)該比值過小，影響變速器的工作效率；當(dāng)變速器檔位速比的比值過大時(shí)，容易造成駕駛員換擋困難.對(duì)于變速器速比一般控制在1.4～1.8范圍內(nèi).結(jié)合電動(dòng)汽車檔位所設(shè)計(jì)的車速值要求，該系統(tǒng)的變速器速比約束如下，其中q=.

4 基于GT-drive軟件的仿真應(yīng)用分析

4.1GT-drive軟件的應(yīng)用

GT-drive是一個(gè)較為成熟的汽車傳動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)平臺(tái)，它主要采用模塊化的建模方式，根據(jù)車輛的不同配置，使用不同的模塊進(jìn)行系統(tǒng)搭建和仿真分析.該軟件具有完善的求解器，確保復(fù)雜多樣化的汽車模型的計(jì)算，為優(yōu)化汽車的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性提供了可靠的計(jì)算結(jié)果.GT-drive軟件分析主要包括3個(gè)步驟：

（1）研究對(duì)象的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理.（2）研究對(duì)象的模型建立.

（3）仿真結(jié)果分析及模型的調(diào)整.

4.2仿真結(jié)果分析

本文采用GT-drive車輛仿真軟件完成整車動(dòng)力性，燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真，并對(duì)電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化前后的整車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析，證明優(yōu)化結(jié)果的可靠性.該系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如表2所示.

表2 電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

表3 動(dòng)力性能設(shè)計(jì)要求及仿真結(jié)果

圖3 電動(dòng)汽車爬坡能力與電機(jī)最大輸出曲線圖

4.2.1 動(dòng)力性能仿真分析

根據(jù)電動(dòng)汽車動(dòng)力性能設(shè)計(jì)要求，電動(dòng)汽車應(yīng)滿足最高車速、加速性能以及爬坡性能三項(xiàng)指標(biāo).因此，本文從最高車速、加速性能以及爬坡性能三方面進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表3所示.設(shè)計(jì)三種不同條件下的加速特性，仿真結(jié)果為0-50km/h的加速時(shí)間為7 s內(nèi)；50-80 km/h的加速時(shí)間為7 s內(nèi)；0-100 km/h的加速時(shí)間為21 s內(nèi).三種加速時(shí)間均滿足設(shè)計(jì)要求.從爬坡性能和最高車速兩個(gè)方面數(shù)據(jù)來看，仿真結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求.

如圖3左側(cè)圖為爬坡能力曲線圖，該圖橫坐標(biāo)為車輛行駛的速度，縱坐標(biāo)為車輛行駛不同車速所對(duì)應(yīng)的最大爬坡度.右側(cè)圖為電機(jī)最大功率輸出曲線圖，該圖橫坐標(biāo)為車輛行駛的速度縱坐標(biāo)為車輛行駛不同車速所對(duì)應(yīng)的最大輸出功率.從圖3可以看出，對(duì)于低速行駛過程時(shí)，車輛的爬坡能力較強(qiáng)；隨著電機(jī)的輸出功率的遞增，車輛速度也相應(yīng)增大，相反，車輛最大爬坡度變小.可見，電動(dòng)汽車爬坡能力曲線和電機(jī)最大功率輸出曲線完全符合汽車動(dòng)力性能要求.

4.2.2 經(jīng)濟(jì)性能仿真分析

表4 電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性能仿真結(jié)果/kWh·100 km-1

根據(jù)電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)行情況，本文采用常用的城市、郊區(qū)以及綜合循環(huán)三種工況進(jìn)行仿真計(jì)算.仿真計(jì)算結(jié)果如表4所示.隨著汽車負(fù)載的增加，電動(dòng)汽車能耗相應(yīng)遞增.對(duì)于三種不同工況而言，城市工況能耗最高，郊區(qū)能耗相對(duì)較少.這主要是由于城市交通擁擠，車速相對(duì)較慢，車輛部分時(shí)間處于怠速狀態(tài)，所以相對(duì)于郊區(qū)而言，能耗較高，仿真結(jié)果滿足到設(shè)計(jì)要求.

5 結(jié)語

綜上所述，本文在電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合電動(dòng)汽車性能評(píng)價(jià)指標(biāo)要求，對(duì)電機(jī)、傳動(dòng)系各部件以及電池組等各參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，采用GT-driver軟件對(duì)整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真，其結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求.

［1］姬芬竹，高峰，吳志新.電動(dòng)汽車傳動(dòng)系參數(shù)設(shè)計(jì)及動(dòng)力性仿真［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32(1):108-111.

［2］尹冰聲,孫躍東.罰函數(shù)法在汽車傳動(dòng)系統(tǒng)最優(yōu)匹配中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與造，2004(6)：4-5.

［3］李國良,初亮.采用交流感應(yīng)電機(jī)的電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的合理匹配［J］.吉林工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2001，31(4):6-11.

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On the optimal design of electric vehicle drive system based on GT-driver

QIAO Bin
（Department of Information Engineering，Wuhu Institute of Technology，Wuhu 241006，Anhui，China）

Based on one of the Cherry models of electric vehicles,the study designed and matched the main parameters of the automotive driveline.However,the system parameters is optimized by the genetic algorithm as well as analyses the optimized vehicle power and the economical efficiency which is based on the GT-driver software,and the simulation results could meet the design requirements.

electric vehicles;simulation analysis;transmission;optimization design

U463.2

A

1007-5348（2014）04-0029-06

（責(zé)任編輯：李婉）

2014-02-27

蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目（Wzyzr201403）；蕪湖市科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2013-24）.

喬斌（1968－），男，安徽蕪湖人，蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系講師，碩士，主要從事電氣自動(dòng)化方面的教學(xué)與研究.