陳　燎,丁　猛，盤朝奉,b

(江蘇大學(xué) a.汽車與交通工程學(xué)院；b.汽車工程研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

?

純電動(dòng)客車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化仿真

陳燎a,丁猛a，盤朝奉a,b

(江蘇大學(xué) a.汽車與交通工程學(xué)院；b.汽車工程研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

摘要：在純電動(dòng)客車的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了提高電機(jī)的工作效率和純電動(dòng)客車的行駛里程，對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)匹配。提出了采用固定速比主減速器與兩檔變速器的兩種動(dòng)力傳動(dòng)方案，并以行駛里程為目標(biāo)，整車動(dòng)力性要求為約束，采用遺傳算法對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的速比進(jìn)行了優(yōu)化。應(yīng)用MATLAB/Simulink建模，進(jìn)行了CYC_ECE_EUDC循環(huán)工況仿真。仿真結(jié)果表明：加裝了兩檔變速器的純電動(dòng)客車在動(dòng)力性滿足要求的情況下，行駛里程提高了21.3%。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)客車；變速器；循環(huán)工況；遺傳算法；優(yōu)化

0引言

隨著傳統(tǒng)汽車引起的污染和能源問(wèn)題日益突出，電動(dòng)汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車成為研究熱點(diǎn)。目前，電動(dòng)汽車的研究主要在驅(qū)動(dòng)形式、能量存儲(chǔ)、能量回收和控制策略等方面。在動(dòng)力電池等核心技術(shù)和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施獲得突破前，合理地選擇動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)各部件的參數(shù)是提高電動(dòng)汽車動(dòng)力性及行駛里程的重要手段。當(dāng)前的電動(dòng)汽車大多是在傳統(tǒng)汽車的基礎(chǔ)上改裝而成，沿用了原有的傳動(dòng)形式，不能同時(shí)滿足整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求[1-4]。

為使純電動(dòng)客車滿足動(dòng)力性要求，同時(shí)提高電機(jī)工作效率及增加行駛里程，本文提出了純電動(dòng)客車采用固定速比主減速器與兩檔變速器的兩種傳動(dòng)方案。對(duì)純電動(dòng)客車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了匹配和優(yōu)化，并進(jìn)行對(duì)比仿真，得到了適合電動(dòng)客車的動(dòng)力傳動(dòng)方案。

1傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配

某款純電動(dòng)客車的整車參數(shù)和性能指標(biāo)如表1所示。

表1　純電動(dòng)客車整車參數(shù)與性能指標(biāo)

1.1　驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)的確定

純電動(dòng)客車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求在加速或者爬坡時(shí)提供高轉(zhuǎn)矩，高速行駛時(shí)提供大功率，且變速范圍大，須確定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)[1-4]包括最高轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速、峰值功率、額定功率和最大轉(zhuǎn)矩。

1.1.1最高轉(zhuǎn)速及額定轉(zhuǎn)速的確定

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速對(duì)電機(jī)成本、傳動(dòng)系尺寸和制造工藝都有較大的影響。最高轉(zhuǎn)速低于6 000 r/min的低速電機(jī)適用于純電動(dòng)客車[5-8]。

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速由最高轉(zhuǎn)速求得[5]：

(1)

其中：nr為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速,r/min；nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速,r/min；β為電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)因數(shù)，取值2~4。所以，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速取值為1 500～3 000 r/min。

1.1.2峰值功率及額定功率的確定

驅(qū)動(dòng)電機(jī)能承受一定的過(guò)載，通過(guò)峰值功率描述，它表示純電動(dòng)客車行駛具有的后備功率，與整車的最高時(shí)速、最大爬坡性能和加速性能有關(guān)。式(2)~式(4)根據(jù)純電動(dòng)客車的最高時(shí)速、爬坡度和加速性能分別得出對(duì)應(yīng)電機(jī)所需的功率[2]：

(2)

(3)

(4)

其中：P1為最高時(shí)速時(shí)所需功率，kW;P2為最大爬坡度時(shí)所需功率，kW;P3為加速過(guò)程所需功率，kW;g為重力加速度，m/s2；m為整車質(zhì)量，kg;f為滾動(dòng)阻力因數(shù)；CD為空氣阻力因數(shù)；A為客車迎風(fēng)面積，m2;vmax為客車最高時(shí)速，km/h;ηt為機(jī)械總傳動(dòng)效率；vi為最大爬坡時(shí)的爬坡速度，km/h;αmax為最大爬坡度，(°);tm為加速時(shí)間，s;vm為加速過(guò)程末速度，km/h;δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換因數(shù)，δ=1.06。

根據(jù)表1所示整車參數(shù)及性能指標(biāo)，計(jì)算得到P1=90 kW，P2=108 kW，P3=172 kW。電機(jī)峰值功率Pmax=max(P1,P2,P3)=172 kW。

電機(jī)額定功率Pe由峰值功率求得[2]：

(5)

其中：Pmax為電機(jī)峰值功率,kW；Pe為電機(jī)額定功率,kW；λ為電機(jī)過(guò)載因數(shù),取值2~3。綜上可得電機(jī)額定功率Pe=57~86 kW。

1.1.3最大轉(zhuǎn)矩的確定

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩取決于純電動(dòng)客車的爬坡性能。電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為[3]：

(6)

傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比i的最大值由最高時(shí)速確定[5]：

(7)

由式(6)和式(7)得到：i≤7.263，Tmax≥1 033 N·m。

由上述計(jì)算可初步得到固定速比方案的電機(jī)參數(shù)。對(duì)于加裝兩檔變速器的傳動(dòng)方案，減少了對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的需求，所以在達(dá)到整車動(dòng)力性要求的前提下，該方案的驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率和最大轉(zhuǎn)矩有所減小。與兩種傳動(dòng)方案匹配的驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)如表2所示。

1.2　蓄電池參數(shù)的確定

蓄電池參數(shù)主要為電池組容量和數(shù)目?？蛙囁玫男铍姵貐?shù)如表3所示。

表2　驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

表3　蓄電池基本參數(shù)

2傳動(dòng)系統(tǒng)速比的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1　總傳動(dòng)比的確定

傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比i的下限由電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩和客車最大爬坡度確定[4]：

(8)

根據(jù)式(7)和式(8)得，固定速比傳動(dòng)方案的傳動(dòng)比為：6.413≤i≤7.263。

對(duì)不同傳動(dòng)比下固定速比傳動(dòng)方案的純電動(dòng)客車進(jìn)行仿真，根據(jù)一個(gè)循環(huán)工況所消耗的蓄電池能量得到固定速比傳動(dòng)方案在循環(huán)工況的能量消耗，如圖1所示。

圖1　固定速比傳動(dòng)方案能耗曲線

從圖1可以看出：傳動(dòng)比i在靠近7.032時(shí)，能耗較低。所以，固定速比傳動(dòng)方案中的傳動(dòng)比在6.413≤i≤7.263，盡可能靠近7.032。

根據(jù)式(7)和式(8)得兩檔變速器傳動(dòng)方案：一檔爬坡時(shí)，i1≥8.304；二檔高速行駛時(shí)，i2≤7.263。

對(duì)純電動(dòng)客車不同傳動(dòng)比的兩檔變速器方案進(jìn)行仿真，得到一個(gè)循環(huán)工況下不同傳動(dòng)比的蓄電池能量消耗。

經(jīng)分析，兩擋變速器傳動(dòng)方案有一個(gè)能耗比較小的范圍，而且變動(dòng)幅度較小。出于對(duì)兩擋變速器的加工難度及傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的考慮，一檔傳動(dòng)比取值10.049，二檔傳動(dòng)比取值4.515。

以歐洲實(shí)行的CYC_ECE_EUDC工況下所能達(dá)到的行駛里程為目標(biāo)函數(shù)，以動(dòng)力性要求和行駛里程要求為約束條件對(duì)傳動(dòng)比進(jìn)行優(yōu)化。

2.2　電機(jī)效率的擬合

電機(jī)效率η可以通過(guò)線性回歸方法擬合為電機(jī)轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n的函數(shù)[9-10]，表達(dá)式為：

(9)

其中：A為各項(xiàng)系數(shù)組；λ為階數(shù)。

使用MATLAB編寫對(duì)應(yīng)計(jì)算程序，可得電機(jī)效率的數(shù)學(xué)表達(dá)式為η=η(T，n)。

2.3　行駛里程分析

計(jì)算客車在某一工況下的行駛里程，須計(jì)算該工況客車消耗的能量。能量的消耗包括該工況下勻速行駛的能量消耗和客車加速過(guò)程的能量消耗[11]。

(Ⅰ)客車勻速行駛時(shí)的能量消耗

工況條件下，在間隔時(shí)間t內(nèi)勻速行駛，速度為v,電機(jī)輸出功率為：

(10)

電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分別為：

(11)

(12)

其中：igi為變速器速比；i0為主減速器減速比。

將式(11)和式(12)代入式(10)，得電機(jī)效率，表達(dá)式為：

(13)

客車勻速行駛在時(shí)間t內(nèi)，消耗的能量為：

(14)

因此，客車勻速行駛時(shí)，消耗總能量是每個(gè)勻速工況的能耗之和：

(15)

其中：n為勻速工況個(gè)數(shù)。

(Ⅱ)客車加速過(guò)程的能量消耗

客車勻加速行駛，速度從v1到v2過(guò)程中，取速度間隔1 km/h，行駛時(shí)間為△t，則速度從vj到(vj+1)過(guò)程中，電機(jī)輸出功率為：

(16)

其中：a為汽車加速度，m/s2；vj≤v≤vj+1。

電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分別為：

(17)

(18)

將式(17)和式(18)代入式(16)，得電機(jī)效率，表達(dá)式為:

(19)

客車勻加速行駛，在△t時(shí)間內(nèi)，消耗能量為：

(20)

客車勻加速行駛，速度從v1到v2的過(guò)程中，消耗能量為：

(21)

其中：m為間隔1 km/h的區(qū)間個(gè)數(shù)，m=v2-v1。

因此，客車勻加速行駛時(shí)，消耗總能量為每個(gè)勻加速工況能耗之和：

(22)

其中：p為整個(gè)工況客車加速換擋次數(shù)。

勻速行駛與勻加速行駛消耗的總能量之和為客車在整個(gè)工況下消耗的總能量：

W=W1+W2。

(23)

客車在整個(gè)工況下行駛里程L為：

(24)

其中：S為工況單個(gè)循環(huán)汽車行駛里程，S=10.93 km；Wb為蓄電池存儲(chǔ)能量，kW·h。

Wb=CUNηDOD，

(25)

其中：C為單體電池容量，A·h；U為單體電池電壓，V；N為電池?cái)?shù)目；ηDOD為電池放電深度。

以行駛里程為目標(biāo)得到的目標(biāo)函數(shù)為：

f(x1,x2,x3)=L(i0,ig1,ig2)。

(26)

2.4　約束條件的建立

(Ⅰ)由傳動(dòng)比的最大值確定的約束條件[2]：

(27)

(Ⅱ)由傳動(dòng)比的最小值確定的約束條件：

(28)

(Ⅲ)由上述得到的目標(biāo)函數(shù)，可得到基于CYC_ECE_EUDC工況行駛里程的約束條件：

g3(i0,ig1,ig2)-150≥0。

(29)

2.5　優(yōu)化算法

表4　主減速器和變速器的速比優(yōu)化結(jié)果

使用MATLAB編寫適應(yīng)度函數(shù)，結(jié)合MATLAB中遺傳算法(genetic algorithm，GA)優(yōu)化工具箱對(duì)主減速器和變速器的速比進(jìn)行優(yōu)化[12]。優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

3仿真分析

3.1　動(dòng)力性仿真

最高車速仿真曲線如圖2所示。驅(qū)動(dòng)力Ft和行駛阻力(滾動(dòng)阻力Ff與空氣阻力Fw之和)隨車速變化的曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的車速，即為純電動(dòng)客車的最高車速[12-13]。

經(jīng)計(jì)算，固定速比傳動(dòng)系統(tǒng)的純電動(dòng)客車最高車速為104 km/h，兩擋變速器傳動(dòng)系統(tǒng)的最高車速為105 km/h。

最大爬坡度仿真曲線如圖3所示。由圖3可看出：對(duì)于兩擋變速器傳動(dòng)方案，雖然電機(jī)峰值功率和最大轉(zhuǎn)矩都有所減小，但爬坡度比固定速比傳動(dòng)方案要高。一檔爬坡度為0.36°，二檔爬坡度為0.13°，固定速比傳動(dòng)方案爬坡度為0.23°。

圖2 最高車速仿真曲線圖3 最大爬坡度仿真曲線

圖4　加速時(shí)間仿真曲線

加速時(shí)間仿真曲線如圖4所示。由圖4可以看出：兩擋變速器傳動(dòng)方案的加速時(shí)間比固定速比傳動(dòng)方案要少。0~50 km/h時(shí)，兩種方案的加速時(shí)間分別為12.72 s和20.37 s。

3.2　經(jīng)濟(jì)性仿真

圖5和圖6分別為固定速比傳動(dòng)方案和兩擋變速器傳動(dòng)方案的電機(jī)工作點(diǎn)分布圖，電機(jī)的效率分布如曲線上數(shù)字所示。

對(duì)比圖5和圖6可以看出：兩擋變速器傳動(dòng)方案電機(jī)工作點(diǎn)能更多地分布在電機(jī)高效率區(qū)域。因此，用兩擋變速器傳動(dòng)方案能夠提高電機(jī)的工作效率。

圖5 固定速比傳動(dòng)方案電機(jī)工作點(diǎn)分布圖6 兩檔變速器傳動(dòng)方案電機(jī)工作點(diǎn)分布

圖7　CYC_ECE_EUDC工況能耗曲線

通過(guò)對(duì)蓄電池輸出功率進(jìn)行積分得到客車在一個(gè)CYC_ECE_EUDC循環(huán)工況下消耗的能量與時(shí)間的關(guān)系[6]。圖7為純電動(dòng)客車在CYC_ECE_EUDC工況消耗能量與時(shí)間的曲線。

由圖7可以看出：在算入客車制動(dòng)回收能量的情況下，隨著時(shí)間增加，能耗曲線上下波動(dòng)，但總體呈上升趨勢(shì)。單個(gè)循環(huán)工況，固定速比傳動(dòng)方案消耗總能量為25.6 MJ，兩擋變速器傳動(dòng)方案消耗總能量為21.1 MJ。

行駛里程計(jì)算公式為：

(30)

其中：S為客車在一個(gè)CYC_ECE_EUDC循環(huán)工況的行駛里程，S=10.93 km；Wsoc為循環(huán)工況消耗的能量，MJ。

根據(jù)兩方案的消耗能量，由式(30)可以得出：在CYC_ECE_EUDC工況下，固定速比傳動(dòng)方案的行駛里程為128.37 km，兩檔變速器傳動(dòng)方案的行駛里程為155.75 km。

對(duì)于兩擋變速器傳動(dòng)方案及固定速比傳動(dòng)方案,純電動(dòng)客車性能的仿真和計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5　兩種傳動(dòng)方案仿真結(jié)果對(duì)比

相對(duì)于固定速比傳動(dòng)方案的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，兩擋變速器傳動(dòng)方案的驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率降低了12.8%，最大轉(zhuǎn)矩降低了14.3%。由表5中的數(shù)據(jù)可以看出：兩擋變速器傳動(dòng)方案的動(dòng)力性滿足設(shè)計(jì)要求，0~50 km/h加速時(shí)間減少了7.65 s。在經(jīng)濟(jì)性上，兩擋變速器傳動(dòng)方案的整車能耗降低了17.6%，從而使純電動(dòng)客車的行駛里程提高了21.3%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)論

針對(duì)純電動(dòng)客車，在對(duì)其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行合理選擇的基礎(chǔ)上，分別提出了采用固定速比主減速器與兩檔變速器的兩種動(dòng)力傳動(dòng)方案，以提高電機(jī)的工作效率和整車的行駛里程，并采用遺傳算法對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的速比進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，分別對(duì)整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了仿真分析。兩檔變速器傳動(dòng)方案的電機(jī)與固定速比傳動(dòng)方案的電機(jī)相比，能更多地工作在額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩附近，電機(jī)效率較高，能量消耗較少，客車行駛里程得以提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊文興.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)與仿真研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2014.

[2]王翔.基于多目標(biāo)遺傳算法的純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化[D].武漢:武漢理工大學(xué),2013.

[3]孫濤.電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配及優(yōu)化研究[D].太原:中北大學(xué),2013.

[4]占銳.輕型純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)的建模仿真及測(cè)試評(píng)價(jià)的研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2011.

[5]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[6]薛念文,高非,徐興,等.電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,30(2):303-307.

[7]高建平,位躍輝,劉振楠.并聯(lián)混合動(dòng)力公交車動(dòng)力系統(tǒng)匹配優(yōu)化[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,35(1):30-35,40.

[8]盤朝奉,張秀麗,陳燎,等.純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)能耗特性[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,36(6):20-25.

[9]李國(guó)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.

[10]李偉.基于電機(jī)效率的電動(dòng)汽車AMT換擋規(guī)律優(yōu)化[D].成都:西華大學(xué),2014.

[11]陳勇,孫逢春.電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程及其影響因素的研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2001,21(5):578-582.

[12]馮超.基于Matlab/Simulink的電動(dòng)汽車仿真模型設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].北京:中國(guó)科學(xué)院大學(xué),2013.

[13]包建超.基于ADVISOR仿真的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2014.

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：U463;U266.2

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.02.007

文章編號(hào)：1672-6871(2016)02-0031-07

收稿日期：2015-05-08

作者簡(jiǎn)介：陳燎(1963-)，男，四川德陽(yáng)人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事汽車電子及智能交通系統(tǒng)方面的研究.

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863”計(jì)劃基金項(xiàng)目(2012AA111401)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51105178);江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2011489);江蘇省六大人才高峰基金項(xiàng)目(2013-XNY-002)