純電動城市客車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配及仿真優(yōu)化

肖立維，湯沛，鄭竹安，楊銳淇，趙毫杰

（224002 江蘇省 鹽城市 鹽城工學(xué)院 汽車工程學(xué)院）

0 引言

自20 世紀70 年代石油危機后，為應(yīng)對環(huán)境污染和能源危機，汽車行業(yè)逐漸往可持續(xù)方向發(fā)展。電動汽車具備低噪音、更環(huán)保、更經(jīng)濟、易保養(yǎng)等優(yōu)點，是未來汽車行業(yè)重點發(fā)展方向之一[1]，但是在動力電池等關(guān)鍵技術(shù)未取得突破性進展之前，合理配置車輛動力傳動系參數(shù)仍是提高電動汽車性能的方法之一。

近年來，為提高電動汽車的動力性能及經(jīng)濟性能，國內(nèi)外高校、研究所、企業(yè)紛紛開展相關(guān)研究。李江等[2]通過ADVISOR 對某款純電動汽車建模，優(yōu)化目標函數(shù)，使用遺傳算法優(yōu)化傳動系速比，進行仿真分析，提高了電動汽車性能；周保華等[3]對一個兩擋AMT 換擋控制策略進行研究，通過臺架實驗驗證其可行性；張元等[4]通過Cruise 搭建車輛模型且采用多目標優(yōu)化方法進行仿真分析，驗證了在車輛動力性能不變的情況下，傳動系統(tǒng)參數(shù)合理匹配能改善電動汽車的經(jīng)濟性能；牛繼高等[5]針對兩擋電動汽車動力傳動系統(tǒng)匹配優(yōu)化問題，通過Cruise-Isight 聯(lián)合仿真，采用多目標遺傳算法（NSGA-Ⅱ）對傳動比進行優(yōu)化，兼顧動力性與經(jīng)濟性，但實際上動力性與經(jīng)濟性不可能得到保證。

本文以某公司生產(chǎn)的城市客車為參考，對動力傳動系統(tǒng)各部件進行參數(shù)匹配設(shè)計及選型，使用Cruise 軟件搭建該車整車建模，進行了模擬仿真和優(yōu)化，為實車設(shè)計提供參考。

1 動力系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)匹配

1.1 整車參數(shù)及性能設(shè)計

純電動汽車與傳統(tǒng)汽車有所不同，動力源由驅(qū)動電機提供，蓄電池提供能量。純電動車車輛匹配參數(shù)主要有：整車結(jié)構(gòu)參數(shù)、驅(qū)動電機參數(shù)、蓄電池參數(shù)等。本文選擇的純電動城市客車整車參數(shù)有軸距、整備質(zhì)量和總質(zhì)量等，具體參數(shù)見表1。

表1 整車參數(shù)及性能指標Tab.1 Vehicle parameters and performance indicators

1.2 驅(qū)動電機的選型

在純電動汽車中，驅(qū)動電機是最為重要的兩大部件之一，它能將電能轉(zhuǎn)化為機械能。為車輛的正常行駛提供動力，驅(qū)動電機需考慮純電動城市客車復(fù)雜的城市道路工況，如頻繁啟停、加速與減速等操作，驅(qū)動電機需具備較寬的調(diào)速范圍及能量回收。并且，考慮到成本、尺寸、重量需滿足車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計，所以驅(qū)動電機的選型非常重要。

驅(qū)動電機峰值功率需要滿足最高車速、最大爬坡度、加速性能下車輛需求功率[6]。

（1）依據(jù)最高車速確定驅(qū)動電機功率P1max

式中：Vmax——車輛的最高車速；η——傳動系效率；m——車輛質(zhì)量；g ——重力加速度；CD——迎風(fēng)阻力系數(shù)；f——滾動阻力系數(shù)；A——迎風(fēng)面積。（2）依據(jù)最大爬坡度確定驅(qū)動電機功率P2max

式中：VS——車輛爬坡時的穩(wěn)定車速，爬坡時速度取穩(wěn)定車速20 km/h；αmax——車輛最大爬坡度。

（3）依據(jù)車輛0～50 km/h 的加速性能確定驅(qū)動電機功率P3max

純電動汽車全力加速時的經(jīng)驗公式：

經(jīng)簡化在末速度時刻P3max可由式（5）得：

式中：V——車輛瞬時末速度；δ——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取值1.08；ta——加速時間；X——擬合系數(shù)取0.5；Pm——瞬時功率；t ——瞬時速度對應(yīng)的加速時間。

驅(qū)動電機的峰值功率需要滿足Pmax＞（P1max，P2max，P3max），將表1 數(shù)據(jù)代入式（1）、式（2）、式（5）可 得：P1max=51.9 kW；P2max=147.7 kW；P3max=239.6 kW。

驅(qū)動電機的額定功率需要滿足車輛在最高車速下的功率需求。

式中：Pe——驅(qū)動電機額定功率；λ—驅(qū)動電機的過載系數(shù)，一般取值1～3。

依據(jù)轉(zhuǎn)速與車輛最高車速關(guān)系，可確定驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)速以及額定轉(zhuǎn)速。因本文選擇的純電動城市客車采用單級減速器，參考相似類型車輛，主減速器傳動比初步取值5.992。

式中：nmax——驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)速；ne——驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)速；i ——主減速器傳動比；r ——輪胎滾動半徑；β——驅(qū)動電機的恒擴大功率系數(shù)，一般取值2～3。

驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩需要滿足車輛在最大爬坡度下較大的轉(zhuǎn)矩需求，根據(jù)轉(zhuǎn)矩、功率、轉(zhuǎn)速的關(guān)系可確定其額定轉(zhuǎn)矩與峰值轉(zhuǎn)矩：

式中：Tmax——驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)矩；Te——驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)矩；γ——一般取值范圍在2～3。

綜上，依據(jù)驅(qū)動電機的主要參數(shù)，參考市面上多種驅(qū)動電機，選擇型號TZ400XSF05 的永磁同步驅(qū)動電機，其各參數(shù)滿足上述要求。驅(qū)動電機的詳細參數(shù)見表2。

表2 電機詳細參數(shù)Tab.2 Detailed parameters of the motor

1.3 傳動比的選擇

車輛的最小傳動比需要滿足最高車速下的動力傳遞，車速不能低于限定的最高車速，電機轉(zhuǎn)速處于驅(qū)動電機恒功率區(qū)為佳；車輛的最大傳動比需要滿足車輛在最大爬坡度以及附著率的要求，電機轉(zhuǎn)速處于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)為佳[7]。

設(shè)傳動比為i，主減速比為i0，此時i=i0。根據(jù)上述要求以及轉(zhuǎn)速與最高車速關(guān)系式可確定最小傳動比：

式中：Fvmax——最高車速時的行駛阻力。

最大傳動比的選擇需滿足最大爬坡度下的車輛工況，提供最大的轉(zhuǎn)矩。因爬坡時速度較低，空氣阻力較小，主要阻力為坡度阻力與滾動阻力，省略了空氣阻力影響。

式中：FZ——地面對車輪的法向反作用力；φ——附著系數(shù)。

本文選擇的純電動城市客車驅(qū)動電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩直接通過主減速器傳遞，沒有變速器與離合器等裝置，自然換擋時會存在沖擊，但在可接受范圍內(nèi)。參考原車傳動比后，傳動比選為5.992，經(jīng)計算符合上述要求。

1.4 動力電池的選擇

純電動汽車采用蓄電池作為唯一的動力源，它為車輛行駛及控制提供能源。目前，純電動汽車采用的蓄電池多為三元鋰電池（NCA/NCM）以及磷酸鐵鋰電池，其中三元鋰電池由于技術(shù)及成本的關(guān)系，尚未大范圍普及，比亞迪以及特斯拉采用的便是不同材料的三元鋰電池；磷酸鐵鋰電池更高產(chǎn)，更成熟而被普通車企所接受。本文采用型號CB240的磷酸鐵鋰電池，能滿足車輛對動力電池的要求，相關(guān)技術(shù)指標見表3。

表3 電池電芯參數(shù)Tab.3 Battery parameters

本文純電動城市客車使用5 個標準箱串聯(lián)，共2 并180 串，單體電池總個數(shù)為360 個，電池組總?cè)萘?02 A·h，電池組總電壓579.6 V，總功率為175.039 2 kW·h，經(jīng)計算，滿足車輛對續(xù)航里程的要求。

2 整車建模及聯(lián)合仿真

2.1 整車模型的建立

AVL-Cruise 軟件主要適用于車輛系統(tǒng)動力學(xué)領(lǐng)域，對車輛動力性、經(jīng)濟性、排放性能進行仿真分析，其界面友好，多模塊化設(shè)計可快速搭建模型，進行正向及逆向仿真[8]。本文通過Cruise 搭建整車模型（如圖1 所示），包括駕駛員模塊、整車模塊、輪胎模塊、制動模塊、差速器模塊、主減速器模塊、驅(qū)動電機模塊、動力電池模塊、用電設(shè)備模塊等。

圖1 整車模型Fig.1 Vehicle model

為驗證部件參數(shù)初步匹配是否達到設(shè)計性能指標，軟件可建立以下仿真任務(wù)：循環(huán)工況分析（Cycle Run）、爬坡性能分析（Climbing Performance）、穩(wěn)態(tài)行駛工況分析（Constant Drive）以及全負荷加速性能計算（Full Load Acceleration）。

2.2 仿真結(jié)果及驗證

AVL-Cruise 整車模型建立后，經(jīng)計算任務(wù)設(shè)置，進行仿真任務(wù)計算。各參數(shù)指標與仿真結(jié)果見表4。

表4 仿真結(jié)果Tab.4 Simulation results

純電動城市客車因常在市區(qū)及市郊行駛，因此仿真使用的循環(huán)工況為NEDC（New European Driving Cycle），分為4 個市區(qū)工況及1 個市郊工況，共1 180 s。由圖2 可知，仿真車速能較好地跟隨工況，在電機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能達到預(yù)期車速69 km/h。模型精度較高，初步的參數(shù)匹配結(jié)果較好。

圖2 仿真車速與工況車速跟隨曲線Fig.2 Simulation speed and speed following curve under working conditions

2.3 傳動系速比優(yōu)化

Isight 是一款集成諸多算法的多學(xué)科優(yōu)化軟件，它通過調(diào)用其他軟件進行計算，可以在不用人工干預(yù)的情況下不斷調(diào)用相應(yīng)的工程計算軟件進行計算，有著“軟件機器人”之稱。雖然Isight 與Cruise 沒有直接的接口，但是其Simcode 模塊可通過Windows bat 文件調(diào)用Cruise 生成的dbf、log 等文件。通過確定優(yōu)化變量、優(yōu)化目標、約束條件，選擇改良過后的遺傳算法進行尋優(yōu)迭代，篩選出符合條件的最優(yōu)解。圖3 所示為聯(lián)合仿真模型，圖4為Isight 優(yōu)化流程圖。

圖3 聯(lián)合仿真模型Fig.3 Co-simulation model

圖4 Isight 優(yōu)化流程Fig.4 Isight optimization process

20 世界70 年代，John holland 依據(jù)生物進化的規(guī)律設(shè)計并提出了遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）。它是通過模擬自然進化過程搜索最優(yōu)解的一種方法。本文以NEDC 百公里電耗為經(jīng)濟性指標函數(shù)，0～69 km/h的加速時間為動力性指標函數(shù)，主減速器比為優(yōu)化變量，以車輛設(shè)計性能指標為約束條件，采用改良的遺傳算法進行動力性與經(jīng)濟性的多目標優(yōu)化，尋優(yōu)迭代篩選出符合條件的最優(yōu)解。圖5 為優(yōu)化變量尋優(yōu)迭代過程，圖6 為經(jīng)濟性目標尋優(yōu)過程，圖7 為動力性目標尋優(yōu)過程。

圖5 優(yōu)化變量尋優(yōu)迭代過程Fig.5 Iterative process of optimizing variables

圖6 經(jīng)濟性目標尋優(yōu)過程Fig.6 Optimization process of economic objectives

圖7 動力性目標尋優(yōu)過程Fig.7 Dynamic target optimization process

根據(jù)聯(lián)合仿真結(jié)果，將最優(yōu)解輸入Cruise模型，對優(yōu)化前后結(jié)果進行對比分析。優(yōu)化前后結(jié)果如表5 所示。NEDC 工況下百公里電耗下降0.28 kW·h/100 km，經(jīng)濟性能提升0.7%，0～69 km/h 的加速時間下降了0.12 s，動力性能提升了0.5%。

表5 優(yōu)化前后車輛性能指標對比Tab.5 Comparison of vehicle performance indexes before and after optimization

3 結(jié)論

本文使用AVL-Cruise 搭建了某公司的一款純電動城市客車模型，并通過理論計算對車輛動力傳動系各部件合理選型，進行動力性及經(jīng)濟性的模擬仿真，并且通過Cruise 與Isight 聯(lián)合仿真優(yōu)化了傳動比，提升了車輛性能，驗證參數(shù)匹配設(shè)計方案的有效性，符合車輛設(shè)計的性能指標。仿真參數(shù)對于結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化和整車整備質(zhì)量降重有著較為準確的參考作用。