毛成華

摘 要：本文以某企業(yè)生產(chǎn)的微型低速電動(dòng)車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，按照產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，利用CRUISE仿真軟件分析了動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性;并運(yùn)用ISIGHT與CRUISE聯(lián)合仿真技術(shù)求解出該車型最佳減速比。通過樣車實(shí)驗(yàn)表明，該方法求解微型低速電動(dòng)車最佳主減速比準(zhǔn)確可靠、效率高，可用于優(yōu)化動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：微型低速電動(dòng)車 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) CRUISE仿真

Research on the Main Reduction Ratio of Mini Low-speed Electric Vehicle Based on CRUISE

Mao Chenghua

Abstract：This paper takes the electric drive system of a miniature low-speed electric vehicle produced by a certain enterprise as the research object. According to industry standards and design indicators， the key components of the electric drive system are parameter-matched and designed， and the power and economy are analyzed using CRUISE simulation software. The joint simulation technology of ISIGHT and CRUISE solved the optimal reduction ratio of the vehicle. Experiments on prototype vehicles show that this method is accurate， reliable， and efficient in solving the optimal final drive ratio of miniature low-speed electric vehicles， and can be used to optimize power and economy.

Key words：micro low-speed electric vehicle， electric drive system， CRUISE simulation

隨著新能源汽車市場(chǎng)的持續(xù)發(fā)展及消費(fèi)者觀念的轉(zhuǎn)變，微型低速電動(dòng)車保有量及產(chǎn)量逐年升高;相較于國(guó)家新能源補(bǔ)貼目錄中的純電動(dòng)車，微型低速電動(dòng)車具有價(jià)格低、結(jié)構(gòu)小巧、能耗低、充電方便、行駛速度慢、對(duì)駕駛技術(shù)要求低等優(yōu)點(diǎn)，可用于解決離家半徑20公里內(nèi)的短途出行、老年人出行代步、內(nèi)部封閉道路巡邏、城市共享電動(dòng)車等問題[1]。因此，在當(dāng)前鋰電池技術(shù)逐漸普及、電機(jī)管控策略持續(xù)升級(jí)的背景下，通過研究新技術(shù)提升微型低速電動(dòng)車使用性能，具有理論和實(shí)際意義。

1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選配

國(guó)內(nèi)的消費(fèi)市場(chǎng)上銷售的微型低速電動(dòng)車通常采用鉛酸膠體免維護(hù)電池加交流異步電動(dòng)機(jī)配置[2]，通過研究國(guó)內(nèi)外微型低速電動(dòng)車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置形式、動(dòng)力電池及電機(jī)類型，某企業(yè)生產(chǎn)的微型低速電動(dòng)車進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)時(shí)，底盤結(jié)構(gòu)類型采用電機(jī)橫置式電驅(qū)動(dòng)后橋，能量來源采用了能量密度大、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)的鋰離子電池，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用體積小、效率高的永磁同步電機(jī)。通過建立該車型電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)指標(biāo)，得到電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的參數(shù)，如表1所示。

2 模型建立及仿真任務(wù)設(shè)定

CRUISE仿真軟件主要用于復(fù)雜車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析，在車輛設(shè)計(jì)研發(fā)過程中對(duì)基本性能進(jìn)行正向或逆向仿真，通過對(duì)仿真結(jié)果的研究和分析，可對(duì)整車燃油經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性進(jìn)行改善[3]。利用CRUISE軟件對(duì)該微型電動(dòng)車選配的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行建模，需要設(shè)定的動(dòng)力性能仿真任務(wù)包括：全負(fù)荷加速性能、爬坡性能。經(jīng)濟(jì)性能仿真任務(wù)包括：等速續(xù)駛里程及典型道路行駛工況續(xù)駛里程，其中典型道路行駛工況采用我國(guó)工業(yè)和信息化部、全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)于2020年5月1日正式實(shí)施的《GB/T 381746.1-2019 中國(guó)汽車行駛工況第1部分：輕型汽車》進(jìn)行仿真模擬。CLTC-P道路循環(huán)工況分為低速、中速和高速3個(gè)速度測(cè)試區(qū)間，分別對(duì)應(yīng)車輛在市區(qū)、市郊及高速公路的行駛狀況。由于微型低速電動(dòng)車最高車速按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不能超過70km/h，達(dá)不到CLTC-P工況的高速區(qū)要求，因此，主要通過CLTC-P工況的低速、中速兩個(gè)區(qū)間進(jìn)行測(cè)試。見表2。

3 主減速比優(yōu)化

通過對(duì)該電動(dòng)車模型仿真分析，經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性指標(biāo)存在可優(yōu)化空間。影響性能的主要因素包括：主減速器減速比，電機(jī)功率、扭矩和最大轉(zhuǎn)速，鋰電池性能、控制器策略，整車質(zhì)量等。在設(shè)計(jì)電動(dòng)車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性互相制約，需要找到最優(yōu)的平衡點(diǎn)。在對(duì)該微型低速電動(dòng)車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)，一方面，由于最高速度必須限制在70km/h以內(nèi)，使用特性通常是用于老年人出行代步或作為城市共享汽車，過高的加速性能反而可能會(huì)導(dǎo)致駕駛員駕駛汽車的道路安全問題;另一方面，若對(duì)結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化改進(jìn)，以獲得整車性能的提升，例如整車的輕量化研究、驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率提升等，又會(huì)造成研發(fā)制造的成本增加，降低產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[4]。由于該車型無變速器，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用雙級(jí)主減速器，減速比對(duì)動(dòng)力性指標(biāo)影響較大。因此，在建立該電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)，選擇主減速器減速比作為優(yōu)化變量，如式1所示：

式中：為主減速減速比

選擇最大爬坡度及CLTC-P低速區(qū)鋰電池100%～10%放電量的續(xù)駛里程作為優(yōu)化目標(biāo)，如式2所示：

式中：F（X）為多目標(biāo)函數(shù);Fc（X）為最大爬坡度;Fs（X）為CLTC-P低速區(qū)100%～10%放電量的續(xù)駛里程。

為滿足整車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，各參數(shù)應(yīng)滿足以下約束條件：

最高車速不超過60km/h，如式3所示：

式中：Vmax為設(shè)計(jì)要求最高車速，應(yīng)不超過60km/h，V為優(yōu)化后的最高車速。

最大爬坡度滿足不低于20%，如式4所示;

式中：imin為設(shè)計(jì)要求最小爬坡度，應(yīng)不小于20%，i為優(yōu)化后的最大爬坡度。

0～42km/h加速時(shí)間滿足小于15s，如式5所示;

式中：tmax為設(shè)計(jì)要求0～42km/h加速時(shí)間最大時(shí)間，應(yīng)不大于15s，t為優(yōu)化后的0～42km/h加速時(shí)間最大時(shí)間。

等速42km/h續(xù)駛里程超過100km，如式6所示;

式中：Smin為設(shè)計(jì)等速42km/h續(xù)航最小里程，應(yīng)不小于100km，S為優(yōu)化后等速42km/h續(xù)航最小里程。

主減速器減速比滿足要求：9.1

式中：imin為設(shè)計(jì)最小減速比，imax為設(shè)計(jì)最大減速比，i0為優(yōu)化后的減速比。

利用NSGA-Ⅱ遺傳算法通過CRUISE及ISIGHT軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，尋找到的主減速器最佳減速比為10.56，在CRUISE軟件中，以該減速比仿真可獲得最佳的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性。

4 生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證

利用研究確定的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行樣車試制，在電驅(qū)動(dòng)橋加工制造時(shí)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝，對(duì)設(shè)計(jì)主減速器減速比進(jìn)行取整，其值取10.5，取整結(jié)果在主減速器減速比設(shè)計(jì)可行域中，并且與設(shè)計(jì)參數(shù)誤差較小，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《T/TBPS 1001—2016微型電動(dòng)車技術(shù)條件》規(guī)定，對(duì)試制車進(jìn)行動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

將優(yōu)化后的仿真結(jié)果與試制車試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表3所示。

通過表3，試制車性能試驗(yàn)值與仿真優(yōu)化后結(jié)果基本一致，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，ISIGHT與CRUISE聯(lián)合仿真優(yōu)化主減速器減速比方法可行，數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)指導(dǎo)該電動(dòng)車批量生產(chǎn)制造具有一定價(jià)值。

5 結(jié)論

（1）采用輸出電壓72V，電池容量100AH磷酸鐵鋰電池總成;額定功率6 kw，最大功率12kw的永磁同步電動(dòng)機(jī);及帶兩級(jí)減速主減速器，減速比為10.5的電機(jī)橫置式電驅(qū)動(dòng)后橋，整車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性滿足電動(dòng)車設(shè)計(jì)指標(biāo)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（2）CRUISE軟件進(jìn)行整車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性仿真分析準(zhǔn)確、高效，該技術(shù)可提升電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件參數(shù)設(shè)計(jì)效率;

（3）電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可采用多目標(biāo)問題優(yōu)化方法進(jìn)行求解，通過ISIGHT軟件與CRUISE聯(lián)合仿真技術(shù)，得到的最佳減速比10.56具有實(shí)用價(jià)值。

通過微型低速電動(dòng)車試制，并按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試制車輛進(jìn)行動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)指標(biāo)相符，說明在開發(fā)同類車型電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用本方法，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、效率高，能夠滿足企業(yè)同類車型的開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

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