基于AMESim的電動客車傳動系分析與研究

田晉躍，王晨陽

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212000)

基于AMESim的電動客車傳動系分析與研究

田晉躍，王晨陽

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212000)

以某電動中型客車為研究對象，對加裝變速器后的整車動力總成系統進行研究，分析并建立了整車數學模型。在此基礎上，利用AMESim建立了整車仿真模型，并利用Matlab/Simulink建立整車控制器。針對NEDC循環工況和加速工況對其進行了模擬仿真；分析了傳動系參數對整車加速度特性、最高車速、經濟性及沖擊度的影響。利用遺傳算法對傳動系的傳動比進行了優化，在保證整車沖擊度達標的前提下改善了整車動力性與經濟性。

電動客車；傳動系統；AMESim；Simulink

電動汽車的傳動系主要包括動力電池、驅動電機、變速器機構、主減速器、差速器、驅動輪等[1]。早期的電動汽車由于電機具有較好的調速特性，因此采用電機直接驅動整車的形式，電機的動力直接傳遞到車輪，車輛加速和減速可以直接通過控制電機的轉速來實現，這種驅動方式具有非常好的舒適性。傳統的驅動形式雖然具有較好的舒適性，但是當車輛在高速行駛時，電機轉速也會較高，此時整車的后備動力較小，可能無法滿足加速需求，同時由于電動機轉速變化較大，導致其長期處于低效率和低功率區域，也對電機轉速要求較高，增加了電機制造難度。Manish Kulkarni[2]運用PID控制原理對換擋過程進行控制，建立雙離合的仿真模型，對其換擋過程進行分析，得到了較為理想的控制效果。

雙離合自動變速器(DCT)在換擋過程中通過兩個離合器的配合工作，實現無動力中斷換擋，在縮短換擋時間的同時減小換擋沖擊度。但是相較于直接驅動，其在起步和換擋的過程中仍不可避免地會產生一定的沖擊從而降低車輛的駕駛舒適性。因此，在對傳動系進行改造的同時，有必要探索傳動系的變化與整車沖擊度之間的內在關聯，以便能在提升動力性與經濟性的情況下保證良好的整車平順性。

1.整車動力學模型

1.1整車動力模型

整車(參數見表1)作為一個整體，是一個多自由度系統。車輛在行駛過程中所受的阻力包括滾動阻力、坡度阻力、空氣阻力。車輛在行駛時的受力方程為[3-4]

(1)

式中：m為整車質量；f為車輪滾動阻力系數；γ為坡度角；CD為空氣阻力系數；S為迎風面積；ν為車速；δ為車輛旋轉質量換算系數。

1.2 驅動電機模型

驅動電機轉矩特性數據由試驗所得。電動客車所裝的Honda永磁同步電機的實驗數據如圖1所示。

電機的輸入為加速、制動和車速信號。電機工作時的方程為

Te=9 550P/n

(2)

式中：P為電機功率；T為電機轉矩；n為電機轉速。

表1 整車及其他參數Table 1 Vehicle & others parameters

圖1 電機效率特性圖Fig.1 The efficiency map of motor

1.3 傳動比初步選擇

傳動系最低擋的速比選擇應滿足整車的最大爬坡度需求[5]：

(3)

由最高車速需求，確定最高擋位傳動系的最小速比應滿足：

(4)

式中：imax為最大傳動比；imin為最小傳動比；νn為爬坡車速；νmax為最高車速；amax為最大爬坡度；Tmax為電機最大轉矩；nmax為電機最高轉速；ηT為傳動系總效率。

1.4 變速器結構分析

本文所研究的兩擋變速器如圖2所示，在變速器的奇數軸與偶數軸上分別只設置1個擋位，離合器1控制1擋，離合器2控制2擋，離合器1的輸出軸為實心軸，離合器2的輸出軸為空心軸，實心軸從空心軸中穿過。由于各軸上只有1個擋位，因此不再需要同步器來控制齒輪的結合與分離，使得結構簡化，重量減輕，同時也使控制更加容易。

車輛起步后在一擋行駛，離合器C1結合，離合器C2處于分離狀態，當車輛即將達到換擋條件時，ECU迅速向電動機發出指令，電動機轉速升高，離合器C1緩慢分離，同時離合器C2開始接合，直到離合器C2完全接合而離合器C1分離，換擋過程結束，車輛由一擋換為兩擋。降擋過程與升擋過程大致相似，整個換擋過程由2個離合器相互配合操作，相互切換即可完成。整車及匹配后相關部件參數如表1所示。

圖2 兩擋雙離合器變速器模型Fig.2 Two-speed transmission simulation model

2 Matlab換擋控制器研究

2.1 離合器換擋過程研究

離合器的接合過程如圖3所示。 離合器受壓開始工作，首先消除主、從動摩擦片之間的空隙；隨著離合器活塞壓力的不斷增加，主、從動摩擦片開始接觸，離合器摩擦面之間所傳遞的轉矩不斷增加并克服阻轉矩帶動從動盤旋轉直至主、從動盤轉速一致。在離合器控制過程中，離合器所能傳遞的力矩大小是通過控制離合器摩擦片上的壓力來調節的，其傳遞轉矩Tck為[6-10]：

(5)

式中：μd為摩擦片的動態摩擦系數；FA為離合器活塞作用力；n為離合器摩擦副數量；Rc為離合器當量摩擦半徑。

圖3 離合器接合過程Fig.3 Clutch engage process during staring

2.2 換擋規律的制定

換擋規律是ECU根據換擋參數分析車輛當前運行狀況并判斷車輛應處狀態的依據，是智能換擋控制系統的核心。自動換擋可以使車輛根據負載的變化輸出相應的功率，使車輛始終處于最佳狀態。本文在保證最佳動力性的前提下同時考慮經濟性制定2擋變速器換擋規律，如圖4所示。

圖4 兩參數換擋規律Fig.4 Two parameters shifting regular of two gear energy bus

2.3 離合器執行機構

離合器液壓控制系統采用高速開關閥完成對離合器液壓缸充油壓力的控制[7]。執行機構模型如圖5所示。由整車控制器輸出的換擋信號，經過三位三通電磁閥轉換為A通道的壓力信號，輸出到帶有回位彈簧的活塞機構當中，經過活塞機構轉換為力信號。壓力與力的關系如下：

(6)

式中：P為電磁閥輸入活塞機構的壓力；Ap為活塞機構的活塞面積；F為活塞所受到的力。

圖5 離合器換擋執行器Fig.5 Clutch actuator model

基于上述分析，在AMESIM中建立整車仿真模型，在Matlab/Simulink中建立換擋控制器模型，其聯合仿真模型如圖6所示。

圖6 電動中型客車聯合仿真模型Fig.6 Electric mid-bus combination simulation model

3 車輛性能評價指標

1) 電機功率一定時，可以用功率利用率作為衡量車輛動力性的綜合性指標。功率利用率越高，車輛動力性能越好。電機功率一定時，車輛的理想驅動功率為：

(7)

式中：Pr為理想驅動功率；Fr為最大驅動力；Pmax為電機最大功率。

車輛的實際驅動功率為:

(8)

式中：Ps為車輛實際驅動功率；Fs為車輪上的驅動力。

功率利用率λr定義為：

(9)

2) 使用相同條件下的電池SOC消耗評價整車經濟性,通常用DOD表示電池消耗的電量：

DOD= 1-SOC

(10)

3) 沖擊度用于評價換擋過程的平穩程度，指車輛縱向加速度的變化率。車身加速度變化率越小，沖擊度的峰值就越小，乘員的感覺越舒適[11-12]。其數學表達式為：

(11)

式中：a為車輛縱向加速度；v為車速。

4 基于遺傳算法的起步參數優化

遺傳算法是一種全局尋優算法，利用目標函數在概率準則引導下進行全局自適應自動搜索，其尋優效率高、魯棒性強、適用性廣。因此，本文采用遺傳算法優化方法對變速機構傳動比進行優化，得到使整車性能最優的傳動比。

將傳動系參數優化模型設計變量選為

(12)

由本文1.3節設置1擋傳動比的上下限ig1H，ig2L分別為7.4和3.6，2擋傳動比的上下限ig2H，ig2L分別為2.8和1.2。

為了綜合考慮動力性、經濟性與換擋沖擊度，定義：

(13)

式中：g為整車綜合性能系數;λi為動力性、經濟性指標和沖擊度指標的權重系數，i=1，2，3。

下面以車輛綜合品質評價指標g為目標函數與適應函數，以兩擋變速器的傳動比ig1,ig2為優化目標，利用遺傳算法進行參數的優化。

種群規模設置為100，最大遺傳代數設置為20，交叉概率設為0.8，變異概率設為10%，變異幅值為0.1。綜合考慮整車動力性、經濟性與換擋沖擊度，設置權重系數λ1=λ2=0.3,λ3=0.4，優化后結果顯示如圖7、8所示。

圖7 1擋傳動比優化結果Fig.7 Optimize result of Frist gear

圖8 2擋傳動比優化結果Fig.8 Optimize result of second gear

可以看出：在優化求解過程的最初階段，其解的波動較大，隨后逐漸收斂于1個最優解。最終求得1擋傳動比的最優解為6.5，2擋傳動比的最優解為2.15。

5 聯合仿真驗證

將優化前與優化后的傳動系參數分別代入上述AMESIM與Matlab/Simulink模型并進行聯合仿真。設置NEDC為循環工況，仿真時間為1 180 s，仿真步長為可變。

優化前后的NEDC循環工況車速如圖9所示。在NEDC循環要求下，前4個低速循環工況時優化前后的兩種方案都可以使車輛很好地完成跟隨，但是在市郊循環工況下，此時車速要求較高，電機無法提供足夠的動力使其達到要求的最高車速，但是可以看出，優化后最高車速由優化前的110 km/h提高到112 km/h。

圖9 NEDC循環工況對比Fig.9 The comparation under NEDC cycle

車輛的能量消耗可用電池的DOD表示，如圖10所示?？梢?，優化前電池容量指標DOD上升了4.68%，同樣NEDC循環下，優化后電池DOD上升了4.57%。在相同的工況下，優化后比優化前所消耗的電池電量降低了0.11%。根據單循環DOD和單循環車輛行駛里程，可以計算出優化后車輛在NEDC循環工況下的續駛里程為100/4.57×10.96=239.8 km，較未優化時續駛里程增加了5.8 km。

對優化前后的整車參數進行加速時間仿真，仿真時間設為60 s，在全油門開度情況下加速度曲線如圖11所示?？梢钥闯觯簝灮笳嚨退俟r下加速度性能明顯改善，0～50 km/h的加速時間為11.4 s,較優化前的13.9 s提高了2.5 s。在高速工況下，其加速性能有一定程度的提升但是并不明顯。0～100 km/h的加速時間由優化前的38.9 s提升至優化后的36.24 s,優化后較優化前提高了2.66 s。

圖10 單NEDC循環工況下DODFig.10 Battery DOD under NEDC cycle

圖11 加速度曲線Fig.11 Vehicle acceleration curve

加速過程中，車輛從1擋升入2擋過程中，離合器傳遞的瞬時轉矩及轉速曲線如圖12。可以看出：換擋過程中電機轉速變優化后1擋情況下的電機轉速上升更快，使汽車車速更快地達到相應工況下的換擋車速，提高車輛的起步加速性能。同時，相比優化前電機工作范圍小，優化后的傳動系能更加充分地發揮電機的性能，使電機在更大的轉速范圍內工作。

換擋過程所產生的沖擊度如圖13所示。

可見，優化后換擋沖擊度變大，增加為10.5 m/s3，這主要是由于優化前后1擋與2擋兩擋位間傳動比變化增加，從而增加了換擋前后轉速和轉矩的變化，引起沖擊度的增加。優化后的換擋沖擊度仍然滿足設計要求。

圖12 電機轉速Fig.12 The comparison of motor speed

圖13 換擋過程沖擊度變化Fig.13 simulation result of jerk

5 結論

1) 優化后，單NEDC循環下，整車能量經濟性有所改善。

2) 優化后，低速工況的加速性能明顯改善，0～50 km/h的加速時間較優化前明顯縮短，高速工況下的加速性能變化不大，車輛最高車速有所提高，總體動力性能有所改善。

3) 隨著相鄰擋位傳動比間隔的增加，優化后，沖擊度較優化前有所增加，總體符合相關要求。

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(責任編輯 楊黎麗)

Research on the Driveline System of Electric Bus Based on AMESim

TIAN Jin-yue, WANG Chen-yang

(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212000, China)

Regarding a certain type of mid-electric bus as the research object, the driveline system characteristics has been studied after it installed the transmission in this paper. On the basis of analysis and establishment of the math model of the bus, a simulation model of vehicle and a vehicle control unit have been established by AMESim and Matlab/Simulink. The driveline system has been simulated on NEDC and acceleration conditions. And the paper also makes an analysis of the influents on vehicle’s dynamic, economic and jerk performances caused by transmission’s parameters. Then by using the genetic algorithm, the gear radios are optimized, to improve the vehicle’s dynamic and economic performance without sacrificing jerk performance.

electric bus; driveline; AMESim; Simulink

2016-03-22

田晉躍(1958—)，男，教授，主要從事傳動與液壓方向研究，E-mail：tianjinyue@ujs.edu.cn；通訊作者 王晨陽(1990—)，男，碩士研究生，主要從事傳動與液壓方向研究，E-mail：luotuomeigui@163.com。

田晉躍，王晨陽.基于AMESim的電動客車傳動系分析與研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(1):8-14.

format：TIAN Jin-yue, WANG Chen-yang.Research on the Driveline System of Electric Bus Based on AMESim[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(1):8-14.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.01.002

U271

A

1674-8425(2017)01-0008-07