基于GT-driver的電動汽車傳動系統的優化設計

喬斌

基于GT-driver的電動汽車傳動系統的優化設計

喬斌

（蕪湖職業技術學院信息工程系，安徽蕪湖241006）

以奇瑞某車型的電動汽車傳動系統為研究對象，對系統主要參數進行較為合理的設計和匹配.應用遺傳算法對該系統的參數進行優化處理，并基于GT-driver軟件對優化后的整車動力性、經濟性進行仿真分析，其仿真驗證了參數優化結果能滿足整車性能目標要求.

電動汽車；仿真分析；傳動系統；優化設計

隨著環境問題的日益突出，零污染的電動汽車備受大家關注，世界汽車強國紛紛將研發核心逐步轉移到電動汽車方向，特別是對電動汽車動力傳動系統參數的優化技術的研究投入了大量的資金和人力.對于汽車傳動系統的兩大衡量指標研究，涉及到動力性與經濟性匹配的優化工作十分復雜，需要一套合理的優化設計軟件，對解決電動汽車電池問題和傳動系統主要部件的參數匹配等關鍵性技術問題尤其重要，同樣也是汽車界急需解決的重大問題.

1 電動汽車傳動系統參數評價指標研究

1.1電動汽車動力性指標

汽車性能的評價中，汽車動力性指標是最基本，最重要的性能指標.與傳動的汽車動力性指標一樣，電動汽車動力性指標包括最高速度指標、最大爬坡度指標以及加速時間指標.

（1）最高速度指標

最高車速是指汽車在水平、良好的瀝青或水泥路面上所能達到的最大行駛速度.該性能指標僅僅反映了汽車行駛過程的極限能力.對于電動汽車的最高速度為：

式中，nmax為電機的轉速(r/min)；r為車輪的滾動半徑(m)；igN為變速器最高檔速比；io為主減速比.

（2）最大爬坡度指標

汽車最大爬坡度是指在良好的路面上，汽車滿載時所能行駛的最大坡度.爬坡度與汽車檔位有直接聯系.可見，汽車最大爬坡度是指I檔的爬坡能力，其計算公式為：

式中s為行駛的距離(km)，ig1為變速器一檔速比；f為滾動阻力系數.

（3）加速時間指標

加速時間是指汽車有靜止狀態起步，并以最大加速度連續依次換置最高檔，當加速到一定距離或車速時所用的距離.該評價指標是反映汽車動力性能的最重要的參數，其表達式為：

式中G為車輛重力(kg)；Tm為電機轉矩(N·m)；η1為傳動效率；i0為主減速比.CD為空氣阻力系數；A為車輛迎風面積(m2).

1.2電動汽車經濟性指標

電池作為純電動汽車行駛過程的唯一動力源，在使用過程中電池的能耗程度反映了汽車整體的經濟性.本文關于電動汽車經濟性指標主要考慮續駛里程和行駛工況能耗兩個指標來衡量電動汽車經濟性.

（1）續駛里程

根據電動汽車設計所采用的國家標準，對于電動汽車續駛里程指標采用等速法進行測試和評定.其中電動汽車一般采用40 km/h速度進行等速測試.其表達式（4）為：

式中，Q為電池額定容量(kW)；Uξ為電池端電壓(V)；m為汽車總質量(kg)；η為電機效率；r為車輪半徑（m）；η1為傳動系統效率.

（2）電動汽車的能量消耗指標

根據電動汽車的能耗指標規定，電動汽車的能耗指標主要包括百公里綜合耗電量和單位里程能耗兩項指標.該評級指標由公式（5）單位里程能耗和公式（6）百公里綜合能耗組成：

式中T為驅動循環時間(s)；Ce為動力電池的額定容量(A·h)；Ue為電池額定電壓(V)；R為行駛里程(km)；ητ為額定傳動效率.

2 傳動系統的優化設計理論分析

2.1電機參數的匹配設計

電機作為電動汽車唯一的動力源，所選的電機功率決定了整車的動力性能.電機功率越大，所能產生的動力性也就越好，但功率的大小也受電機的質量和體積的限制.當電機功率過大時，電機的質量和體積也相應增大，這樣一來，電機的工作效率從而減小，從而降低了車輛的續駛里程.對于理想的電機最大功率的設計，至少應滿足最高車速、汽車加速度、以及最大爬坡度3項汽車動力性能指標.所以，電機的額度功率設計為.

2.2傳動比的參數設計

變速器提供不同的傳動比，以適應汽車行駛在不同工況下的變化.對于電動汽車的傳動比的設計，只需滿足最高車速和最大爬坡度兩項指標，即傳動系數上限設計和傳動系數下限設計.

其中i=i0ig，ig為變速箱傳動比；nmax為最大轉速.

其中Fimax為電動機最大輸出扭矩(N)，Tmax最大爬坡所對應的最大行駛阻力(N·m).

2.3電池組的參數匹配設計

對于電動汽車的電池組的選擇，應滿足兩個基本要求.第一，電池組需滿足汽車行駛的最大輸出功率要求；第二，根據電動汽車的續駛里程要求，所設計的電池組應滿足續駛里程所需要的最小電池容量.

（1）最大輸出功率要求的電池組選擇

汽車的最大輸出功率一般出現在三種工況：高速行駛工況、最大加速行駛工況以及最大爬坡度行駛工況.可見，選擇合理的電池組，應同時滿足以上三種工況下的最大功率.取其中最大值作為汽車最大輸出功率.其表達式為：

式中np1為電池組數目；Pemax為車輛最大功率（kW）；Pbmax為單位電池最大輸出功率（kW）；e1為電動機工作效率；e2電機控制器工作效率；N為單個電池組所含的電池數.

（2）電動汽車續駛里程要求的電池組選擇

續駛里程作為電動汽車非常關鍵的性能指標，根據國標要求，對于電動汽車的續駛里程一般采取60 km/h的勻速行駛工況計算.其表達式為：

式中np2所求的電池組數目；L為續駛里程要求(km)；W為電動汽車每公里所耗電能；Cb為單體電池的電壓(V)；Vb為單體電池容量(A·h)；N為單個電池組所含的電池數.

最后求得電池組的數量為：n=max(np1,np2).

2.4電動汽車傳動系統參數匹配結果

根據電動汽車動力性能及評價指標的要求，結合系統參數設計基本原理進行合理，計算結果如表1所示.

表1電動汽車動力傳動系統參數

3 傳動系統參數的優化方法

汽車傳動系統參數的匹配對汽車動力性能的發揮和汽車經濟性的好壞起到關鍵作用.對于電動汽車傳動系統的設計，有必要結合整車性能要求，對所匹配的電動機參數，傳動系參數以及電池組參數進行優化.本文采用基于成熟的遺傳算法，有效解決汽車傳動系統中大規模復雜的優化問題.

3.1目標函數的建立

整車能耗和續駛里程值是評價電動汽車性能好壞的最終對象.所以本文以整車能量消耗和續駛里程為目標函數.眾所周知，對于一輛性能較高的電動汽車而言，其保證最大續駛里程值的同時所產生的能耗越少.所以，本文選用基于懲罰函數法的目標函數的建立，如下式所示，

3.2系統約束條件的建立

根據本文對電動汽車性能所設計的要求，系統的約束條件有電動汽車動力性能約束條件、經濟性能約束條件以及變速器速比約束條件.對于電動汽車動力性能約束條件主要有加速性能約束、爬坡性能約束和最大高車速約束，故本系統關于電動汽車動力性能約束條件的建立為公式（11）、（12）、（13）所示：

式中Ft為驅動力（N）；Fw為空氣阻力（N）；Ff為滾動阻力（N）；δ為旋轉質量換算系數；M為整車質量(kg).

對于電動汽車經濟性約束條件包括兩個約束條件，它們分別是公式（14）所示的等速行駛時的續駛里程約束以及公式（15）所示的工況行駛時的續駛里程約束.

式中W為電池的總能量(kW)；s為工況行駛的距離(km).

對于電動汽車相鄰的變速器檔位速比的比值對變速器的使用性能有著直接聯系，當該比值過小，影響變速器的工作效率；當變速器檔位速比的比值過大時，容易造成駕駛員換擋困難.對于變速器速比一般控制在1.4～1.8范圍內.結合電動汽車檔位所設計的車速值要求，該系統的變速器速比約束如下，其中q=.

4 基于GT-drive軟件的仿真應用分析

4.1GT-drive軟件的應用

GT-drive是一個較為成熟的汽車傳動系統與發動機研發平臺，它主要采用模塊化的建模方式，根據車輛的不同配置，使用不同的模塊進行系統搭建和仿真分析.該軟件具有完善的求解器，確保復雜多樣化的汽車模型的計算，為優化汽車的經濟性和動力性提供了可靠的計算結果.GT-drive軟件分析主要包括3個步驟：

（1）研究對象的實驗數據處理.（2）研究對象的模型建立.

（3）仿真結果分析及模型的調整.

4.2仿真結果分析

本文采用GT-drive車輛仿真軟件完成整車動力性，燃油經濟性進行仿真，并對電動汽車傳動系統參數優化前后的整車動力性和燃油經濟性進行對比分析，證明優化結果的可靠性.該系統參數的優化結果如表2所示.

表2 電動汽車動力傳動系統參數優化結果

表3 動力性能設計要求及仿真結果

圖3 電動汽車爬坡能力與電機最大輸出曲線圖

4.2.1 動力性能仿真分析

根據電動汽車動力性能設計要求，電動汽車應滿足最高車速、加速性能以及爬坡性能三項指標.因此，本文從最高車速、加速性能以及爬坡性能三方面進行仿真，仿真結果如表3所示.設計三種不同條件下的加速特性，仿真結果為0-50km/h的加速時間為7 s內；50-80 km/h的加速時間為7 s內；0-100 km/h的加速時間為21 s內.三種加速時間均滿足設計要求.從爬坡性能和最高車速兩個方面數據來看，仿真結果均滿足設計要求.

如圖3左側圖為爬坡能力曲線圖，該圖橫坐標為車輛行駛的速度，縱坐標為車輛行駛不同車速所對應的最大爬坡度.右側圖為電機最大功率輸出曲線圖，該圖橫坐標為車輛行駛的速度縱坐標為車輛行駛不同車速所對應的最大輸出功率.從圖3可以看出，對于低速行駛過程時，車輛的爬坡能力較強；隨著電機的輸出功率的遞增，車輛速度也相應增大，相反，車輛最大爬坡度變小.可見，電動汽車爬坡能力曲線和電機最大功率輸出曲線完全符合汽車動力性能要求.

4.2.2 經濟性能仿真分析

表4 電動汽車經濟性能仿真結果/kWh·100 km-1

根據電動汽車實際運行情況，本文采用常用的城市、郊區以及綜合循環三種工況進行仿真計算.仿真計算結果如表4所示.隨著汽車負載的增加，電動汽車能耗相應遞增.對于三種不同工況而言，城市工況能耗最高，郊區能耗相對較少.這主要是由于城市交通擁擠，車速相對較慢，車輛部分時間處于怠速狀態，所以相對于郊區而言，能耗較高，仿真結果滿足到設計要求.

5 結語

綜上所述，本文在電動汽車傳動系統結構與工作原理進行綜合分析的基礎上，結合電動汽車性能評價指標要求，對電機、傳動系各部件以及電池組等各參數進行設計和優化，采用GT-driver軟件對整車的動力性、經濟性進行仿真，其結果符合設計要求.

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［5］汪超．汽車傳動系參數優化的改進遺傳算法［J］．河北理工學院學報，2005，27(1):36-42.

On the optimal design of electric vehicle drive system based on GT-driver

QIAO Bin
（Department of Information Engineering，Wuhu Institute of Technology，Wuhu 241006，Anhui，China）

Based on one of the Cherry models of electric vehicles,the study designed and matched the main parameters of the automotive driveline.However,the system parameters is optimized by the genetic algorithm as well as analyses the optimized vehicle power and the economical efficiency which is based on the GT-driver software,and the simulation results could meet the design requirements.

electric vehicles;simulation analysis;transmission;optimization design

U463.2

A

1007-5348（2014）04-0029-06

（責任編輯：李婉）

2014-02-27

蕪湖職業技術學院自然科學研究項目（Wzyzr201403）；蕪湖市科技計劃重點項目（2013-24）.

喬斌（1968－），男，安徽蕪湖人，蕪湖職業技術學院信息工程系講師，碩士，主要從事電氣自動化方面的教學與研究.