基于我國典型城市工況的小型純電動汽車傳動系優化匹配研究

吳 晗，宋 凱，熊東箭

（湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082）

基于我國典型城市工況的小型純電動汽車傳動系優化匹配研究

吳 晗，宋 凱，熊東箭

（湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082）

為了快速評估選擇更優的傳動系統匹配方案，基于FCM聚類法及小波分析法構建代表我國典型城市道路的行駛工況，利用Cruise軟件建立各傳動系方案整車仿真模型。通過內置矩陣運算功能對模型參數進行組合計算，并插值擬合求出各方案最佳傳動比。引入綜合評價方程對各傳動系匹配方案整車綜合性能進行對比分析和定量評價，與國標工況進行對比。結果表明，構建我國典型城市工況是必要的，該方法能夠快速有效地評估出綜合性能更優的傳動系統匹配方案。

純電動汽車；行駛工況；插值擬合；對比分析

由于環境污染和能源問題日益加劇，新能源汽車的開發成為國內外學者研究的重點[1]。隨著汽車技術的進步，研究人員發現傳動系統參數的合理選擇對提高整車動力性能、降低成本、提高續駛里程等起著重要作用[2]。

在電動汽車研究和開發過程中，合理的汽車仿真計算可以節省大量的試驗成本，縮短設計開發周期，可以更好地設計汽車參數以及汽車各部分的布置形式，分析和預測各方案汽車的動力性、燃料經濟性和排放性能，而且還可以運用優化方法，根據設計的性能指標和技術要求計算出最佳設計參數[3]。很多文獻針對電動汽車傳動系統進行了匹配設計研究，周勝等[4]對電動汽車二擋變速器進行傳動比設計匹配并利用ADVISOR驗證了匹配的正確性；朱曰瑩等[5]以ECE城市循環工況為基礎提出了一種基于循環工況的電動汽車傳動系速比正交優化設計策略；張瓊等[6]引入整車綜合評價方程對各匹配方案計算結果進行快速有效的對比分析和定量評價，從而選出用戶需要的最佳動力傳動系統匹配方案。目前國內電動汽車油耗測試城市工況為歐洲ECE循環工況，該工況屬于穩態工況，與我國實際城市工況有顯著區別。我國城市人口密度大，城市道路汽車行駛工況復雜，汽車行駛工況的變化對汽車的能量消耗、污染物的排放、環境的保護等都有很大的影響，因此，姜平等[7-8]提出了結合FCM聚類法和小波分析的實際循環工況構建方法。本文以小型電動汽車為例，基于實際城市工況對其傳動系統進行匹配研究，首先通過整車動力性需求確定傳動系參數取值范圍，然后利用AVLCruise分別對不同傳動系布置方案進行建模仿真優化并確定最佳傳動比，最后引入綜合評價方程確定綜合性能最佳的傳動方案。

引用格式：

1 整車基本參數及性能要求

本文所建立的模型基于某小型純電動汽車，其定位于城市代步車，動力性要求不高，再加上電動機有著良好的輸出特性，所以通常采用兩擋小型變速器或者固定擋變速器。一方面能夠滿足其動力性需求，另一方面也能節約成本，減輕整車質量，提高效率。本文對兩種常用的傳動系形式進行了對比分析，探究傳動系統形式的選擇方法。整車參數及指標見表1和表2。

表1 整車參數

滿載質量m 2/k g 9 5 0輪胎半徑（靜態/動態）r/m m 2 3 2/2 4 7空氣阻力系數C d 0.4 3迎風面積A/m 2 2.4 5滾動阻力系數f 0.0 1 1傳動效率η/% 0.9 2

表2 設計要求

2 傳動系速比初步設計

根據整車動力性能需求可以確定傳動系速比的范圍，電動汽車傳動比上限由電動車最高轉速和最高行駛速度確定：

式中：nmax為電動機最高轉速，r/min；umax為最高行駛車速，km/h；r為輪胎滾動半徑，m。

電動汽車傳動比下限由最高車速行駛阻力、電動機最高轉速的輸出轉矩、最大爬坡度行駛阻力和電動機的最大輸出轉矩共同來確定：

式中：Fmax1為最高車速行駛阻力，N；Tmax1為電機最高轉速的輸出轉矩，Nm；Fmax2為最大爬坡度行駛阻力，N；Tmax2為電機最大輸出轉矩，Nm；ηt為傳動系效率；αmax為最大爬坡角度；f為滾動阻力系數。

綜上所述，傳動比下限為：

通過計算，最終確定傳動系速比范圍為：i∈[4 . 40, 5. 49]。

3 建模仿真及對比分析

3.1 工況模塊建立

根據GB 18386—2005，應選用歐洲典型市區循環工況ECE-15進行能耗分析，但是該工況在加減速、勻速運行階段均屬于穩態工況，與我國實際城市工況有著較大的差別。所以采用ECE-15工況進行電動汽車的能耗分析以及傳動比匹配優化會存在較大的誤差。因此，根據我國實際交通工況特點，選取長沙市典型路況作為代表工況進行數據采集，采用FCM聚類法對汽車實際行駛工況數據進行聚類分析，并用小波變換對工況數據進行壓縮重構，構建出符合實際交通特點的行駛工況，為電動汽車傳動系統的優化匹配提供更加準確的數據基礎。

道路的選擇應當能夠綜合反映該城市的整體交通狀況，從眾多城市道路中篩選出具有代表性的線路。充分考慮道路等級、車道數量、車流量等因素的影響，選取了長沙市五一路、芙蓉路、二環線等典型道路進行數據采集，包含主干道、次干道、支線和快速路，如圖1所示。每條測試線路連續采樣兩周，包含日常、上下班高峰以及周末路況。駕駛員采用固定路線跟車法，跟隨車流行駛進行數據采集。

圖1 長沙市道路選取示意圖

通過數據擬合壓縮重構以及小波變化，最終得到持續總時間為1 200 s、平均速度為21.59 km/h、距離為7 195.2 m的長沙城市工況，如圖2所示。將長沙城市工況與國外典型工況（歐洲ECE-15、美國FTP-75、日本J10-15）特征值進行對比，結果見表3。由表3可知，長沙市典型行駛工況介于ECE-15與FTP-75行駛工況之間。平均速度、加速比例和減速比例均高于ECE-15行駛工況，但低于FTP-75工況；勻速比例和怠速比例低于ECE-15行駛工況，但高于FTP-75工況；最大加速度比國外典型工況都大。這說明我國城市典型行駛工況與國外典型工況存在較大差異，相對國外工況加減速更激烈，因此，采用符合我國實際交通特點的行駛工況才能使電動汽車傳動系統的優化匹配更加準確。

圖2 長沙城市工況曲線

表3 長沙市合成行駛工況與國外主要行駛工況特征值對比

3.2 固定速比減速器方案建模仿真

對于電動汽車來說，搭載可變速比的齒輪變速器可以在低擋位得到較高的啟動轉矩，在高擋位得到較高的行駛車速，可以調節電機的轉速區間，使電機更容易保持在高效工作區間。但是可變速比變速器增加了整車的質量和成本，降低了傳動效率。而固定減速比減速器有著結構簡單、質量小、成本低等優點，但是速比的單一不能更好地適應工況變化的需求，雖然電機具有良好的動力輸出特性，能夠搭配固定速比減速器，但是電機的運行效率會受到影響?？傊瑑煞N傳動方案各有優劣。本文對兩種方案進行對比分析，研究更適合城市小型電動汽車的傳動方案。

電動汽車模型主要由電機模塊、電池模塊、輪胎模塊等模塊構成，利用AVLCruise建立整車仿真模型，如圖3所示。將各模塊放在合適的位置，完成各模塊之間的機械連接與信號連接，最后添加所需的計算任務。

圖3 固定速比方案整車模型

通過對固定速比減速器不同速比的分別仿真計算，得出不同速比下電動車的動力性、經濟性表現，見表4。汽車傳動比的選擇是在保證動力性要求的基礎上選擇最優經濟性方案，因此根據表4的仿真數據，繪制出不同速比下長沙市循環工況能耗點陣圖并進行三次多項式插值擬合，如圖4所示。結合Matlab中求解非線性多元函數最小值的fmincon函數可以求得該擬合曲線的能耗最小值，循環工況能耗在傳動比i=4.4時出現最小值，再結合表4中的動力性數據，最終選擇傳動比i=4.4作為固定速比減速器最優傳動比，此時整車循環工況能耗為0.521 kWh。

表4 固定速比方案電動汽車動力性、經濟性仿真數據

圖4 固定速比方案能耗擬合曲線

3.3 兩擋AMT方案建模仿真

電動汽車電機的匹配不僅受動力性指標的影響，還要考慮傳動系的布置方式，對于采用兩擋變速器的電動汽車來說，其匹配的電機參數也略有不同。相對于固定速比減速器匹配的電機，兩擋方案匹配的電機在滿足相同最高車速時，可以適當降低對峰值轉速的要求；在滿足相同的加速時間時，可以適當降低電機的輸出轉矩。相對于固定擋減速器方案，經過重新匹配計算，整車質量增加了25 kg，電機峰值轉速由6 000 r/min降低為5 000 r/min，峰值轉矩由122 Nm降低為110 Nm。

對于兩擋變速器，Ⅰ擋傳動比決定汽車最大爬坡度及加速性能，Ⅱ擋傳動比決定汽車的最高車速。將重新匹配的參數代入式（1）～（4）計算得到imin=7.16，imax=4.66。即兩擋傳動系統的Ⅰ擋總傳動比i1≥7.16，Ⅱ擋總傳動比i2≤4.66。

兩擋AMT模型是在固定速比減速器模型的基礎上增加兩擋變速器、離合器及換擋控制模塊建立的，其中換擋規律的設置關系到整車動力總成的性能發揮，對電動汽車動力性和經濟性的影響比較明顯。對于小型電動汽車來說，動力性要求不高，為了最大程度地延長電動汽車的續駛里程，本模型采用經濟性換擋規律，以電機效率作為換擋依據，盡量保證使電機工作在高效區間。利用AVL Cruise建立整車仿真模型，如圖5所示。

圖5 兩擋AMT方案整車模型

通過對多組傳動比進行交叉循環能耗仿真，計算出各組傳動比對應的循環工況能耗，見表5。將表5中的數據進行插值擬合，得到圖6所示的能耗曲面。由圖6可知，兩擋AMT變速器在傳動比i1= 7.5，i2= 4.0附近存在能耗最小區域，結合fmincon函數求得該擬合曲線的能耗最小值，在滿足動力性要求的前提下選取傳動比i1=8.22，i2=3.312時使循環工況能耗最低為0.662 79 kWh。對于傳統汽車而言，變速器中相鄰兩擋傳動比比值過大會造成換擋困難，一般認為比值不能超過1.8，但是對于電動汽車而言，電機相對于傳統發動機有更加快速的響應特性，通過對電機的調速控制能夠平穩地換擋[7]。

表5 兩擋AMT方案電動汽車工況能耗 單位：kWh

圖6 兩擋AMT方案能耗擬合曲面

4 固定速比和兩擋AMT方案性能對比分析

4.1 動力性能對比分析

4.1.1 最高車速對比

當整車的牽引力等于其所受總阻力時，汽車處于受力平衡狀態。因此，汽車達到最大車速時，汽車的最大牽引力與所受總阻力相等。式（5）～（8）依次表示整車牽引力、滾動阻力、空氣阻力和行駛方程。

式中：Ft為整車牽引力，N；T為電機轉矩，Nm；i為總傳動比；Ff為整車滾動阻力，N；α為道路坡度；Fw為整車空氣阻力，N；u為車速，km/h。

根據式（8）繪制牽引力-行駛阻力曲線，如圖7～8所示，兩曲線的交點即為電動汽車最高車速，分別為127 km/h和134 km/h。

圖7 固定擋方案牽引力-行駛阻力曲線

圖8 兩擋AMT方案牽引力-行駛阻力曲線

4.1.2 最大爬坡度對比

最大爬坡度表示車輛低速勻速行駛時的爬坡能力，此時動力因數D表示為：

爬坡度對比曲線如圖9所示，最大爬坡度分別為24.56%和36.6%。

圖9 爬坡度對比曲線

4.1.3 加速時間對比

兩方案加速時間對比如圖10所示，由圖10可知，兩擋方案整車起步加速能力優于固定擋方案，超車加速能力不如固定擋方案。固定擋方案加速時間見表4，兩擋方案0-50 km/h加速時間為6.36 s，50-80 km/h加速時間為7.95 s。

4.2 經濟性能對比分析

電動汽車在循環工況下的電池SOC變化曲線如圖11所示。設置初始電池SOC為95%，隨著運行時間的增加，兩擋方案的電池電量消耗速度大于固定擋方案，說明兩擋傳動系方案相對于固定擋方案要消耗更多的能量。在一個循環工況結束時，固定擋方案電池SOC為88.84%，兩擋AMT方案電池SOC為88.39%。

圖10 加速時間對比曲線

圖11 電池SOC對比曲線

一個循環工況的總路程為7 195.2 m，再結合循環工況消耗電量百分比，根據式（11）能夠計算出電動汽車的續駛里程。固定擋方案續駛里程S1為116.81 km，兩擋AMT方案續駛里程S2為108.85 km。

式中：S為續駛里程，km；L為循環工況總路程，km；W為完成一次循環工況剩余電量百分比。

表6 兩方案仿真性能對比（我國城市典型工況）

兩種方案仿真性能結果見表6，兩種方案均滿足設計要求。相對于固定擋傳動方案，兩擋AMT方案在動力性上表現更好，最高車速提高了4.72%，最大爬坡度提高了49.02%，0-50 km/h加速時間減少了32.77%，超車加速性能有所降低，50-80 km/h加速時間增加了23.23%。經濟性能上，固定擋方案表現更好，相對于兩擋AMT方案，續駛里程提高了7.31%。

在兩種方案各自的最優傳動比整車性能仿真結果中，動力性、經濟性指標上各有高低。為了更加明確地權衡各性能指標之間的關系，本文引入了基于權重系數的車輛綜合性能目標評價體系，總體評價公式如式（12）～（13）所示。式中：Ki為某方案綜合評價指數；k1、k2分別為動力性、經濟性權重系數；vi為某方案最高車速，km/h；v為設計最高車速，km/h；ii為某方案最大爬坡度；i為設計最大爬坡度；為某方案0-50 km/h加速時間，s；為設計0-50 km/h加速時間，s；為某方案50-80 km/h加速時間，s；為設計50-80 km/h加速時間，s；Si為某方案續駛里程，km；S為設計續駛里程，km。

將仿真參數、設計參數代入式（12）和式（13）得到綜合評價指數Ki與經濟性權重系數k2的函數關系，如圖12所示。當經濟性權重系數0.92＜k2＜1時，綜合評價指數K2＜K1。說明當小型電動汽車傳動系設計取向為純經濟性取向時，固定擋方案優于兩擋AMT方案。但在絕大部分權重系數取值區間，都是兩擋AMT方案優于固定擋方案。因此，對于整車性能來說，兩擋AMT方案為更合理方案。

若傳動方案對比匹配采用的是國家標準工況（歐洲ECE-15），而匹配方法相同，則兩種方案整車性能仿真對比結果見表7。

對比表6和表7可以看出，采用我國典型城市工況和歐洲ECE-15工況所匹配的整車性能存在差異，尤其是在續駛里程上，采用歐洲ECE-15工況的續駛里程要明顯大于采用我國典型城市工況的續駛里程。兩種方案綜合性能指數對比如圖13所示。當經濟性權重系數0.99＜k2＜1時，綜合評價指數K2＜K1。由此可見，工況的選擇對匹配結果有一定影響，因此，以我國典型城市工況作為仿真基礎是非常有必要的。

圖12 綜合評價指數對比（我國典型城市工況）

表7 兩方案仿真性能對比（歐洲ECE-15工況）

圖13 綜合評價指數對比（歐洲ECE-15工況）

5 結論

（1）結合FCM聚類法及小波分析壓縮重構，構建針對小型電動汽車的我國典型城市道路行駛工況，使電動汽車循環工況能耗仿真結果更真實。

（2）根據整車動力性需求匹配傳動系速比可行區間并利用CRUISE建立整車性能仿真模型，采用矩陣運算方式實現不同速比參數組合的快速仿真，大大縮減優化匹配周期。

（3）針對不同傳動方案的不同速比，采用插值擬合的方法求得最經濟速比，并引入整車綜合性能評價體系，充分考慮各項性能參數及權重系數的影響，最終確定更加適合該小型電動汽車的傳動系方案為兩擋AMT方案。

（4）對我國典型城市工況與歐洲ECE-15工況匹配結果進行對比，證明構建我國典型城市工況是必要的。

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Research on Optimal Matching of Drivetrain for Small Pure Electric Vehicles Under Typical Urban Driving Conditions in China

WU Han，SONG Kai，XIONG Dongjian
（The State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Hunan University，Changsha 410082，China）

In order to quickly evaluate and select the optimal matching scheme of transmission system,based on the FCM clustering method and the wavelet analysis method, the paper proposed a vehicle model to simulate the driving conditions on typical urban roads in China, by using the Cruise software and the builtin functions of matrix operations. The comprehensive evaluation equation was introduced to evaluate the performances of different matching schemesof transmission system and the performance under the national standard working condition was compared as well. The results show that it was necessary to construct a model with typical urban driving conditions in China, which can select the matching scheme of transmission system with better performance quickly and effectively.

pure electric vehicle；driving cycle；interpolation fitting；comparative analysis

U469.72

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.05.10

2017-03-17 改稿日期：2017-05-04

吳晗，宋凱，熊東箭.基于我國典型城市工況的小型純電動汽車傳動系優化匹配研究 [J]. 汽車工程學報，2017，7(5)：382-390.

WU Han，SONG Kai，XIONG Dongjian. Research on Optimal Matching of Drivetrain for Small Pure Electric Vehicles under Typical Urban Driving Conditions in China[J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(5)：382-390. (in Chinese)

作者介紹

責任作者：吳晗（1991-），男，湖北荊門人。碩士研究生，主要研究方向為純電動汽車動力傳動系統匹配。

Tel：13467318099

E-mail：wuhan_88@sina.com

宋凱（1981-），男，河南鄭州人。博士，助理教授，碩士生導師，主要研究方向為汽車車身新結構新材料優化設計及疲勞耐久預測。

Tel：18670000571

E-mail：song_kaivip@163.com