純電動(dòng)商用車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)匹配研究

李澤田

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

前言

目前，純電動(dòng)城市客車(chē)以其無(wú)污染、零排放的優(yōu)越性能開(kāi)始逐漸普及，但大多數(shù)依然不能充分利用電機(jī)的高效區(qū)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作效率和能源利用率較低[1]。隨著技術(shù)的不斷更新，相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者注意到對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行合理選擇可以改善整車(chē)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性能，很多技術(shù)文獻(xiàn)也進(jìn)行了相關(guān)闡述： Gao等采用遺傳算法和自然語(yǔ)言處理理論對(duì)兩檔箱速比進(jìn)行優(yōu)化[2]；朱曰瑩等提出了針對(duì)城市循環(huán)工況的傳動(dòng)系速比正交優(yōu)化策略[3]。

本文綜合考慮整車(chē)經(jīng)濟(jì)性能和動(dòng)力性能，以城市客車(chē)為研究對(duì)象，基于西安市實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了匹配及多目標(biāo)優(yōu)化研究。通過(guò)分析純電動(dòng)汽車(chē)目前常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了4種動(dòng)力總成方案，在cruise上搭建整車(chē)模型，通過(guò)與isight軟件集合仿真優(yōu)化了傳動(dòng)系統(tǒng)速比參數(shù)；最后依據(jù)西安市實(shí)際運(yùn)行工況下的仿真對(duì)比結(jié)果。

1 整車(chē)參數(shù)及性能要求

1.1 整車(chē)參數(shù)

本文的車(chē)型是比亞迪k9客車(chē)，參數(shù)如表1所示：

表1 參考車(chē)型主要技術(shù)參數(shù)

1.2 整車(chē)性能指標(biāo)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)如表2所示：

表2 車(chē)輛性能設(shè)計(jì)指標(biāo)

2 參數(shù)匹配及初值選定

2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配

本文選取電機(jī)型號(hào)為永磁式同步電機(jī)，首先對(duì)電機(jī)的峰值及額定功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速進(jìn)行匹配。其中電機(jī)的峰值功率以車(chē)輛動(dòng)力性三個(gè)指標(biāo)作為重要參考[4-6]。

表3 四種電機(jī)參數(shù)選型

2.2 初值選取

最小傳動(dòng)比滿(mǎn)足整車(chē)最高車(chē)速要求，最大傳動(dòng)比滿(mǎn)足整車(chē)最大爬坡度要求。計(jì)算可得四種車(chē)型速比范圍與初選值如表4所示。

表4 四種車(chē)型速比范圍與初選值

3 整車(chē)模型搭建

本文選擇在cruise上搭建不同動(dòng)力總成方案的整車(chē)模型，需要調(diào)用的模塊包括整車(chē)模塊、輪胎模塊、制動(dòng)器模塊、主減速器模塊、電機(jī)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(duì)應(yīng)的模塊進(jìn)行相應(yīng)信號(hào)連接，得到直驅(qū)型純電動(dòng)客車(chē)、純電動(dòng)兩檔AMT客車(chē)、輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)客車(chē)、雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)客車(chē)模型，其中雙電機(jī)cruise純電動(dòng)車(chē)模型如圖1所示：

圖1 雙電機(jī)cruise純電動(dòng)車(chē)模型

本文設(shè)計(jì)的雙電機(jī)總成方案為四輪驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)電機(jī)分別為經(jīng)濟(jì)性電機(jī)與動(dòng)力性電機(jī)。經(jīng)濟(jì)型電機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪，負(fù)責(zé)巡航行駛等一些對(duì)動(dòng)力性要求較低的工況；動(dòng)力型電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪，負(fù)責(zé)對(duì)動(dòng)力性要求較高的工況。控制策略思路為：當(dāng)經(jīng)濟(jì)型電機(jī)滿(mǎn)足行駛功率需求且其效率大于切換到雙電機(jī)工作的效率相對(duì)值時(shí)，經(jīng)濟(jì)型單獨(dú)工作，否則雙電機(jī)工作。

4 多目標(biāo)集合優(yōu)化及仿真驗(yàn)證

為了提高汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性能，本文選用多島遺傳算法對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)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(dòng)比，i0是主減速器的傳動(dòng)比。

4.1 建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件

本文針對(duì)電動(dòng)客車(chē)，建立多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化模型。由于多目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化和評(píng)判過(guò)程較為復(fù)雜，為了綜合考慮整車(chē)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，本文通過(guò)加權(quán)系數(shù)將綜合性能目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解：

其中F是目標(biāo)函數(shù)，u1和u2是權(quán)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(biāo)函數(shù)要求限值。

經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)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(dòng)力性目標(biāo)函數(shù)為各工況下的最高爬坡度、起最高車(chē)速與其性能指標(biāo)的比值之和。其表達(dá)式為：

式中F1為動(dòng)力性目標(biāo)函數(shù)；imax、vmax分別為各工況實(shí)際最大爬坡度、最高車(chē)速和加速時(shí)間；i、v分別為性能指標(biāo)下的國(guó)標(biāo)限值。

此外依據(jù)整車(chē)性能指標(biāo)、汽車(chē)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(chē)輛滿(mǎn)載時(shí)0～50 km/h的加速時(shí)間要小于23 s：

（2）車(chē)輛在以20 km/h行駛時(shí)，最大爬坡度不小于20%：

（3）最高檔行駛時(shí)，最高車(chē)速必須大于80 km/h：

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

（5）車(chē)輛正常行駛時(shí)，整車(chē)驅(qū)動(dòng)力應(yīng)小于地面附著力：

（6）具有變速箱的純電動(dòng)汽車(chē)，比值取1.2～1.7之間。

4.2 仿真驗(yàn)證

對(duì)于整車(chē)動(dòng)力性能，主要觀察汽車(chē)的爬坡能力。

圖2 四種方案的爬坡度對(duì)比圖

圖3 四種方案的SOC對(duì)比圖

圖2所示為四種車(chē)型滿(mǎn)載時(shí)在西安實(shí)際工況仿真條件下的爬坡能力對(duì)比。四種車(chē)型的爬坡性能：AMT型最優(yōu)，其次是直驅(qū)型，然后是雙電機(jī)型，最后是輪邊電機(jī)型。

通過(guò)對(duì)比SOC曲線(xiàn)和平均電機(jī)效率，可以對(duì)四種車(chē)型的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

由圖3可以看出：四種車(chē)型的SOC曲線(xiàn)都呈下降趨勢(shì)，效果為：下降的最慢的是雙電機(jī)結(jié)構(gòu)，其次是輪邊電機(jī)結(jié)構(gòu)。

從表5中可以看出四種車(chē)型在NEDC工況下的平均電機(jī)效率為：雙電機(jī)型＞AMT型＞輪邊電機(jī)型＞直驅(qū)型。

表5 四種車(chē)型的平均電機(jī)效率

5 結(jié)論

本文以比亞迪k9作為參考，設(shè)計(jì)了四種不同動(dòng)力總成方案車(chē)型。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出速比參數(shù)優(yōu)化后的整車(chē)動(dòng)力 性和經(jīng)濟(jì)性能均得到了改善，依據(jù)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真對(duì)比結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的雙電機(jī)方案車(chē)型最為經(jīng)濟(jì)理想，輪邊電機(jī)車(chē)型次之，最后為直驅(qū)結(jié)構(gòu)車(chē)型。