基于CRUISE的微型低速電動車主減速比研究

毛成華

摘 要：本文以某企業(yè)生產(chǎn)的微型低速電動車電驅(qū)動系統(tǒng)作為研究對象，按照產(chǎn)業(yè)標準及設(shè)計指標對電驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵部件進行參數(shù)匹配設(shè)計，利用CRUISE仿真軟件分析了動力性及經(jīng)濟性;并運用ISIGHT與CRUISE聯(lián)合仿真技術(shù)求解出該車型最佳減速比。通過樣車實驗表明，該方法求解微型低速電動車最佳主減速比準確可靠、效率高，可用于優(yōu)化動力性與經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：微型低速電動車 電驅(qū)動系統(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的持續(xù)發(fā)展及消費者觀念的轉(zhuǎn)變，微型低速電動車保有量及產(chǎn)量逐年升高;相較于國家新能源補貼目錄中的純電動車，微型低速電動車具有價格低、結(jié)構(gòu)小巧、能耗低、充電方便、行駛速度慢、對駕駛技術(shù)要求低等優(yōu)點，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、城市共享電動車等問題[1]。因此，在當前鋰電池技術(shù)逐漸普及、電機管控策略持續(xù)升級的背景下，通過研究新技術(shù)提升微型低速電動車使用性能，具有理論和實際意義。

1 電驅(qū)動系統(tǒng)選配

國內(nèi)的消費市場上銷售的微型低速電動車通常采用鉛酸膠體免維護電池加交流異步電動機配置[2]，通過研究國內(nèi)外微型低速電動車電驅(qū)動系統(tǒng)布置形式、動力電池及電機類型，某企業(yè)生產(chǎn)的微型低速電動車進行設(shè)計研發(fā)時，底盤結(jié)構(gòu)類型采用電機橫置式電驅(qū)動后橋，能量來源采用了能量密度大、循環(huán)使用壽命長的鋰離子電池，驅(qū)動電機采用體積小、效率高的永磁同步電機。通過建立該車型電驅(qū)動系統(tǒng)的動力學(xué)方程，按照行業(yè)標準及設(shè)計指標，得到電驅(qū)動系統(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)雜車輛傳動系統(tǒng)的仿真分析，在車輛設(shè)計研發(fā)過程中對基本性能進行正向或逆向仿真，通過對仿真結(jié)果的研究和分析，可對整車燃油經(jīng)濟性及動力性進行改善[3]。利用CRUISE軟件對該微型電動車選配的電驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)進行建模，需要設(shè)定的動力性能仿真任務(wù)包括：全負荷加速性能、爬坡性能。經(jīng)濟性能仿真任務(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工業(yè)和信息化部、全國汽車標準化技術(shù)委員會于2020年5月1日正式實施的《GB/T 381746.1-2019 中國汽車行駛工況第1部分：輕型汽車》進行仿真模擬。CLTC-P道路循環(huán)工況分為低速、中速和高速3個速度測試區(qū)間，分別對應(yīng)車輛在市區(qū)、市郊及高速公路的行駛狀況。由于微型低速電動車最高車速按照行業(yè)標準不能超過70km/h，達不到CLTC-P工況的高速區(qū)要求，因此，主要通過CLTC-P工況的低速、中速兩個區(qū)間進行測試。見表2。

3 主減速比優(yōu)化

通過對該電動車模型仿真分析，經(jīng)濟性及動力性指標存在可優(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)計電動車電驅(qū)動系統(tǒng)時，經(jīng)濟性與動力性互相制約，需要找到最優(yōu)的平衡點。在對該微型低速電動車電驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)化時，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導(dǎo)致駕駛員駕駛汽車的道路安全問題;另一方面，若對結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化改進，以獲得整車性能的提升，例如整車的輕量化研究、驅(qū)動電機功率提升等，又會造成研發(fā)制造的成本增加，降低產(chǎn)品市場競爭力[4]。由于該車型無變速器，電驅(qū)動系統(tǒng)中采用雙級主減速器，減速比對動力性指標影響較大。因此，在建立該電動車驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時，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，如式2所示：

式中：F（X）為多目標函數(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。

為滿足整車動力性及經(jīng)濟性的設(shè)計指標要求，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加速時間滿足小于15s，如式5所示;

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

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)計最小減速比，imax為設(shè)計最大減速比，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力性及經(jīng)濟性。

4 生產(chǎn)試驗驗證

利用研究確定的電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案進行樣車試制，在電驅(qū)動橋加工制造時，結(jié)合實際生產(chǎn)工藝，對設(shè)計主減速器減速比進行取整，其值取10.5，取整結(jié)果在主減速器減速比設(shè)計可行域中，并且與設(shè)計參數(shù)誤差較小，滿足設(shè)計指標。按照行業(yè)標準《T/TBPS 1001—2016微型電動車技術(shù)條件》規(guī)定，對試制車進行動力性、經(jīng)濟性試驗，以驗證設(shè)計方案的可行性。

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

通過表3，試制車性能試驗值與仿真優(yōu)化后結(jié)果基本一致，電驅(qū)動系統(tǒng)滿足設(shè)計指標要求，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)對后續(xù)指導(dǎo)該電動車批量生產(chǎn)制造具有一定價值。

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的永磁同步電動機;及帶兩級減速主減速器，減速比為10.5的電機橫置式電驅(qū)動后橋，整車動力性及經(jīng)濟性滿足電動車設(shè)計指標及行業(yè)標準規(guī)定。

（2）CRUISE軟件進行整車動力性及經(jīng)濟性仿真分析準確、高效，該技術(shù)可提升電驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件參數(shù)設(shè)計效率;

（3）電驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可采用多目標問題優(yōu)化方法進行求解，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具有實用價值。

通過微型低速電動車試制，并按照行業(yè)標準對試制車輛進行動力性、經(jīng)濟性試驗，試驗數(shù)據(jù)與設(shè)計指標相符，說明在開發(fā)同類車型電驅(qū)動系統(tǒng)采用本方法，數(shù)據(jù)準確、效率高，能夠滿足企業(yè)同類車型的開發(fā)。

參考文獻：

[1]薛凱，湯歷漫.微型電動汽車消費者購買意愿調(diào)查分析[J].汽車工業(yè)研究，2015，61-63.

[2]唐宇寰，曹卉，何健康，等.中國市場電動微型車發(fā)展方向調(diào)研[J].北京汽車，2012，5-8，30.

[3]牛明強，郭興眾，孫駟洲，等.基于CRUISE的純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真[J].安徽工程大學(xué)學(xué)報，2014，49-53.

[4]劉宗巍，馬雨晴，郝瀚，等.微型短途電動汽車產(chǎn)品電池類型選擇的成本量化對比研究[J]. 汽車工程學(xué)報，2018，157-167.