增程式電動校車動力傳動系統(tǒng)匹配設(shè)計

劉曉宇，張　強，張　旭（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563002）

?

增程式電動校車動力傳動系統(tǒng)匹配設(shè)計

劉曉宇，張強，張旭
（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563002）

摘要：針對校車的行駛特點，采用與北京城市公交工況類似的德國紐倫堡循環(huán)工況下的整車能耗量作為經(jīng)濟性評價指標(biāo)，通過加權(quán)原地起步加速時間作為動力性評價指標(biāo)來評價動力傳動系統(tǒng)的匹配。在Simulink里用仿真模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油經(jīng)濟性目標(biāo)函數(shù)的繁瑣編程，采用多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法NSGA-II，利用ISIGHT與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真，對增程式電動校車的傳動比進行動力性和經(jīng)濟性的雙目標(biāo)優(yōu)化。通過與車輛初始設(shè)計傳動比相比較，結(jié)果表明，優(yōu)化后的傳動比，能夠有效提高車輛的動力性和經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：電動校車；傳動比匹配優(yōu)化；NAGA-II；仿真

在汽車傳統(tǒng)的動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計中，設(shè)計人員往往是首先通過定性分析，然后進行簡單的定量計算，比較以前積累的大量實驗數(shù)據(jù)，并對反復(fù)測試的實驗結(jié)果進行分析后，最終確定設(shè)計方案，這種通過測功機臺架實驗和道路試驗測定汽車動力性指標(biāo)和經(jīng)濟性指標(biāo)的方法，被稱為試驗法。該方法設(shè)計周期較長、成本高，在產(chǎn)品最初的設(shè)計階段就有很大的盲目性，有可能使較優(yōu)的方案在最初階段就被漏掉，從而使設(shè)計的汽車整體性能達不到最優(yōu)［1］。

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，采用計算機模擬計算方法可以有效地對汽車的動力性和經(jīng)濟性進行計算分析。計算機模擬計算法通過輸入電動機以及相關(guān)的各項參數(shù)，模擬汽車在各種工況下的行駛過程，并計算各種循環(huán)工況下的整車能耗和動力性指標(biāo)。因此，在進行汽車動力傳動系匹配設(shè)計時，可以應(yīng)用計算機模擬計算方法，在仿真軟件里建立傳動系和整車模型，并且選用合適的優(yōu)化算法求出最佳的傳動系參數(shù)，使整車動力性和經(jīng)濟性最優(yōu)。

1整車參數(shù)及設(shè)計要求

增程式電動校車基本參數(shù)及設(shè)計要求如表1所示。

表1增程式電動校車主要技術(shù)參數(shù)

2驅(qū)動電機參數(shù)匹配設(shè)計

對于電動汽車的驅(qū)動電機，需要確定的參數(shù)主要有：額定功率、峰值功率、額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速。

2.1驅(qū)動電機額定功率

2.2驅(qū)動電機峰值功率

驅(qū)動電機在峰值功率下可以穩(wěn)定運行一段時間，以滿足汽車最大爬坡度和加速性能的要求。

（1）汽車在加速的末尾時刻，其電動機的輸出功率最大，所以加速過程的最大需求功率為：

（2）汽車爬最大坡度時速度較低，忽略空氣阻力的影響，汽車最大爬坡度時的需求功率為：

2.3驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速

電動機的最高轉(zhuǎn)速對電動機的制造工藝、制造成本和傳動系尺寸有很大影響。轉(zhuǎn)速在以上的為高速電機，以下的為普通電機。高速電機制造成本高，制造工藝復(fù)雜，對其配件有特殊要求，需要配套的軸承和齒輪等，一般適用于電動轎車，很少在客車上使用［5，6］。因此，本文研究的增程式電動校車應(yīng)選擇轉(zhuǎn)速以下的普通電機。

2.4驅(qū)動電機匹配結(jié)果

根據(jù)項目要求的性能指標(biāo)，按照上述的匹配原則和步驟，對驅(qū)動電機進行匹配及選型，具體參數(shù)如表2所示。

表2驅(qū)動電機參數(shù)

3動力電池參數(shù)匹配設(shè)計

增程式電動校車大部分工況下采用純電池能量驅(qū)動車輛行駛，因此動力電池必須滿足車輛所有行駛工況要求。綜合考慮各種電池的性能，選用錳酸鋰電池，單體電池的標(biāo)稱電壓為3.7，額定容量35。

增程式電動汽車電池組的容量必須滿足純電續(xù)駛里程要求，電池組容量為：

4傳動比約束條件的建立

4.1最小傳動比約束

最小傳動比約束主要從最高車速和最高擋動力因素兩方面體現(xiàn)［7］。

（1）最高車速約束。

（2）最高擋動力因素約束。

4.2最大傳動比約束

最大傳動比約束主要從最大爬坡度和地面附著力兩方面體現(xiàn)。

（1）最大爬坡度約束。

（2）地面附著力約束。

5傳動比優(yōu)化仿真模型建立

電動汽車變速箱的傳動比對整車動力性和經(jīng)濟性有很大影響，當(dāng)電動汽車的電機和蓄電池選定后，變速箱的變比就直接決定了整車的性能，因此，選擇合適的傳動比就顯得尤為重要，必須對變速箱傳動比進行優(yōu)化。本文將建立在確定循環(huán)工況下的整車能耗模型以及原地起步加速時間仿真模型上，采用多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法與聯(lián)合仿真，對變速箱傳動比進行優(yōu)化。

5.1整車能耗仿真模型

在變速箱傳動比優(yōu)化過程中，以整個循環(huán)工況下的整車能耗作為評價指標(biāo)。根據(jù)循環(huán)工況給定的車速，通過汽車功率平衡方程，計算電機的需求功率，最后，對整個循環(huán)工況下的電機功率進行時間積分，即為整個循環(huán)工況下的整車能耗。圖1是整車能耗模型，該模型包括循環(huán)工況車速、駕駛員、電機、變速器和車體五個子模型。

圖1整車能耗仿真模型

5.2原地起步加速時間仿真模型

汽車原地起步加速時間是汽車的一個動力性指標(biāo)，加速時間的長短表明汽車的加速能力。假設(shè)汽車在平坦的路面上加速，根據(jù)汽車行駛動力學(xué)方程建立的汽車原地起步加速時間仿真模型如圖2所示。

圖2原地起步加速時間仿真模型

圖3 ISIGHT與MATLAB的優(yōu)化模型

6傳動比動力性和經(jīng)濟性雙目標(biāo)的優(yōu)化仿真

由于該項目針對的是校車項目，主要應(yīng)用于城市公共交通，因此，采用與北京城市公交工況類似的德國紐倫堡工況對整車能耗進行仿真，紐倫堡工況如圖4所示。

圖4紐倫堡工況

圖5 整車能耗W的優(yōu)化歷史路線

圖6加速時間T的優(yōu)化歷史路線

圖7為仿真計算結(jié)果的一部分，圖8為仿真計算的EDM圖，該仿真優(yōu)化總共進行了241步運算。

由仿真計算所得最優(yōu)結(jié)果為：低擋總傳動比1=20.53，高擋總傳動比2=9.16，整個循環(huán)工況能耗為加速時間為18.29（沒有考慮換擋時間）。滿足車輛動力性設(shè)計要求。車輛初始設(shè)計的傳動比低擋為1=22.75，高擋為2=6.5，代入仿真模型進行仿真，整個循環(huán)工況能耗為5.020～5加速時間為21.64（沒有考慮換擋時間）。可以看出，優(yōu)化后的傳動比，能夠有效提高車輛的動力性和經(jīng)濟性。

圖7優(yōu)化結(jié)果

圖8 EDM圖

7結(jié)論

電動汽車變速箱的傳動比對整車動力性和經(jīng)濟性有很大影響。本文以增程式電動校車為例，對其傳動系統(tǒng)進行了參數(shù)匹配。在選定電機參數(shù)后，用仿真模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)經(jīng)濟性目標(biāo)函數(shù)的繁瑣編程，利用聯(lián)合仿真對變送器傳動比進行匹配優(yōu)化。提供了一種無論確定的循環(huán)工況多么復(fù)雜，都能用仿真計算的方法進行該工況下變速器傳動比的動力性和經(jīng)濟性的多目標(biāo)匹配優(yōu)化，有效提高了車輛的動力性和經(jīng)濟性。

參考文獻：

［1］朱朋.汽車動力傳動系統(tǒng)優(yōu)化匹配研究［D］.北京:北京理工大學(xué)，2007.

［2］舒紅，秦大同，楊為.混合動力汽車動力傳動系參數(shù)設(shè)計［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2002，33（1）:19-22.

［3］王慶年，何洪文，李幼德，等.并聯(lián)混合動力汽車傳動系參數(shù)匹配［J］.吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，30（1）:72-75.

［4］威魯麥特德.車輛動力學(xué)模擬及其方法［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1998.90-101.

［5］初亮.混合動力總成的控制算法和參數(shù)匹配研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2002.

［6］王玨童.純電動客車動力傳動系參數(shù)匹配及整車性能研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2008.

［7］羅韜.基于一體化的動力傳動系統(tǒng)設(shè)計研究［D］.北京:北京理工大學(xué)，2006.

（責(zé)任編輯：朱彬）

The Power Transmission System Matching Design of the Extended-electric School Bus

LIU Xiao-yu，ZHANG Qiang，ZHANG Xu
（College of Engineering and Technology，Zunyi Normal College，Zunyi 563002，China）

Abstract:In thelightofthe drivingfeature of schoolbus，this paper selectsthe Nuremeber’s vehicle energyconsumption，similartourban bus in Beijing，as the economic evaluation index andthe accelerating time as the dymamic evaluation index to evaluate the matching of the power-transmitting system.In the Simulink，the simulation model is used to replace the tedious programming of the traditional fuel economically objective function，the multi-objective optimization genetic algorithm NSGA-11 is selected，ISIGHT and MATLAB cosimulation is taken advantage，and the transmission ratio of extended-electric school bus of the double objective optimization of power and economy is conducted.By comparing with the initial design transmission ration of the vehicle，the results show that the optimized gear ration can effectively improve the power and economy of the vehicle.

Key words:electric vehicles；transmission ratio matching and optimization；NAGA-II；simulation

中圖分類號：U469.72

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3583（2016）-0115-04

收稿日期：2015-09-11

作者簡介：劉曉宇，男，貴州遵義人，遵義師范學(xué)院工學(xué)院助教，碩士。研究方向：電動汽車傳動系統(tǒng)。