李澤田

（長安大學，陜西 西安 710064）

前言

目前，純電動城市客車以其無污染、零排放的優(yōu)越性能開始逐漸普及，但大多數(shù)依然不能充分利用電機的高效區(qū)導致驅動系統(tǒng)的工作效率和能源利用率較低[1]。隨著技術的不斷更新，相關領域學者注意到對傳動系統(tǒng)參數(shù)進行合理選擇可以改善整車的經(jīng)濟性和動力性能，很多技術文獻也進行了相關闡述： Gao等采用遺傳算法和自然語言處理理論對兩檔箱速比進行優(yōu)化[2]；朱曰瑩等提出了針對城市循環(huán)工況的傳動系速比正交優(yōu)化策略[3]。

本文綜合考慮整車經(jīng)濟性能和動力性能，以城市客車為研究對象，基于西安市實際運行工況對其動力系統(tǒng)進行了匹配及多目標優(yōu)化研究。通過分析純電動汽車目前常見的結構形式，設計了4種動力總成方案，在cruise上搭建整車模型，通過與isight軟件集合仿真優(yōu)化了傳動系統(tǒng)速比參數(shù)；最后依據(jù)西安市實際運行工況下的仿真對比結果。

1 整車參數(shù)及性能要求

1.1 整車參數(shù)

本文的車型是比亞迪k9客車，參數(shù)如表1所示：

表1 參考車型主要技術參數(shù)

1.2 整車性能指標

驅動系統(tǒng)的性能指標如表2所示：

表2 車輛性能設計指標

2 參數(shù)匹配及初值選定

2.1 驅動系統(tǒng)參數(shù)匹配

本文選取電機型號為永磁式同步電機，首先對電機的峰值及額定功率、轉矩、轉速進行匹配。其中電機的峰值功率以車輛動力性三個指標作為重要參考[4-6]。

表3 四種電機參數(shù)選型

2.2 初值選取

最小傳動比滿足整車最高車速要求，最大傳動比滿足整車最大爬坡度要求。計算可得四種車型速比范圍與初選值如表4所示。

表4 四種車型速比范圍與初選值

3 整車模型搭建

本文選擇在cruise上搭建不同動力總成方案的整車模型，需要調(diào)用的模塊包括整車模塊、輪胎模塊、制動器模塊、主減速器模塊、電機模塊、電池模塊、駕駛室模塊、策略控制模塊、常量模塊、電器耗能元件模塊等。根據(jù)不同方案選擇對應的模塊進行相應信號連接，得到直驅型純電動客車、純電動兩檔AMT客車、輪邊電機驅動客車、雙電機驅動客車模型，其中雙電機cruise純電動車模型如圖1所示：

圖1 雙電機cruise純電動車模型

本文設計的雙電機總成方案為四輪驅動，兩個電機分別為經(jīng)濟性電機與動力性電機。經(jīng)濟型電機驅動前輪，負責巡航行駛等一些對動力性要求較低的工況；動力型電機驅動后輪，負責對動力性要求較高的工況?？刂撇呗运悸窞椋寒斀?jīng)濟型電機滿足行駛功率需求且其效率大于切換到雙電機工作的效率相對值時，經(jīng)濟型單獨工作，否則雙電機工作。

4 多目標集合優(yōu)化及仿真驗證

為了提高汽車的動力性和經(jīng)濟性能，本文選用多島遺傳算法對傳動系統(tǒng)的參數(shù)進行集合優(yōu)化。優(yōu)化變量如式（1）所示：

其中i1、i2是一、二擋的傳動比，i0是主減速器的傳動比。

4.1 建立目標函數(shù)和約束條件

本文針對電動客車，建立多目標函數(shù)優(yōu)化模型。由于多目標函數(shù)的優(yōu)化和評判過程較為復雜，為了綜合考慮整車的動力性和燃油經(jīng)濟性，本文通過加權系數(shù)將綜合性能目標函數(shù)轉化為單目標函數(shù)進行求解：

其中F是目標函數(shù)，u1和u2是權重系數(shù)，這里取u1為0.4，u2為0.6。F1規(guī)，F(xiàn)2規(guī)為分目標函數(shù)要求限值。

經(jīng)濟性目標函數(shù)為單位里程電耗，如式（3）所示：

其中F2為單位里程能耗（kW·h/km）；W是循環(huán)工況能耗（kJ）；S為工況行駛里程（km）。

動力性目標函數(shù)為各工況下的最高爬坡度、起最高車速與其性能指標的比值之和。其表達式為：

式中F1為動力性目標函數(shù)；imax、vmax分別為各工況實際最大爬坡度、最高車速和加速時間；i、v分別為性能指標下的國標限值。

此外依據(jù)整車性能指標、汽車行駛安全要求及優(yōu)化變量的取值范圍建立約束條件如下：

車輛滿載時0～50 km/h的加速時間要小于23 s：

（2）車輛在以20 km/h行駛時，最大爬坡度不小于20%：

（3）最高檔行駛時，最高車速必須大于80 km/h：

（4）車輛單次充滿電后，以40 km/h巡航行駛的續(xù)駛里程大于250 km：

（5）車輛正常行駛時，整車驅動力應小于地面附著力：

（6）具有變速箱的純電動汽車，比值取1.2～1.7之間。

4.2 仿真驗證

對于整車動力性能，主要觀察汽車的爬坡能力。

圖2 四種方案的爬坡度對比圖

圖3 四種方案的SOC對比圖

圖2所示為四種車型滿載時在西安實際工況仿真條件下的爬坡能力對比。四種車型的爬坡性能：AMT型最優(yōu)，其次是直驅型，然后是雙電機型，最后是輪邊電機型。

通過對比SOC曲線和平均電機效率，可以對四種車型的經(jīng)濟性進行評價。

由圖3可以看出：四種車型的SOC曲線都呈下降趨勢，效果為：下降的最慢的是雙電機結構，其次是輪邊電機結構。

從表5中可以看出四種車型在NEDC工況下的平均電機效率為：雙電機型＞AMT型＞輪邊電機型＞直驅型。

表5 四種車型的平均電機效率

5 結論

本文以比亞迪k9作為參考，設計了四種不同動力總成方案車型。根據(jù)仿真結果可以看出速比參數(shù)優(yōu)化后的整車動力 性和經(jīng)濟性能均得到了改善，依據(jù)動力性和經(jīng)濟性仿真對比結果表明所設計的雙電機方案車型最為經(jīng)濟理想，輪邊電機車型次之，最后為直驅結構車型。