增程式電動校車動力傳動系統匹配設計

劉曉宇，張　強，張　旭（遵義師范學院工學院，貴州遵義563002）

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增程式電動校車動力傳動系統匹配設計

劉曉宇，張強，張旭
（遵義師范學院工學院，貴州遵義563002）

摘要：針對校車的行駛特點，采用與北京城市公交工況類似的德國紐倫堡循環工況下的整車能耗量作為經濟性評價指標，通過加權原地起步加速時間作為動力性評價指標來評價動力傳動系統的匹配。在Simulink里用仿真模型代替傳統燃油經濟性目標函數的繁瑣編程，采用多目標優化遺傳算法NSGA-II，利用ISIGHT與MATLAB/Simulink聯合仿真，對增程式電動校車的傳動比進行動力性和經濟性的雙目標優化。通過與車輛初始設計傳動比相比較，結果表明，優化后的傳動比，能夠有效提高車輛的動力性和經濟性。

關鍵詞：電動校車；傳動比匹配優化；NAGA-II；仿真

在汽車傳統的動力傳動系統參數匹配設計中，設計人員往往是首先通過定性分析，然后進行簡單的定量計算，比較以前積累的大量實驗數據，并對反復測試的實驗結果進行分析后，最終確定設計方案，這種通過測功機臺架實驗和道路試驗測定汽車動力性指標和經濟性指標的方法，被稱為試驗法。該方法設計周期較長、成本高，在產品最初的設計階段就有很大的盲目性，有可能使較優的方案在最初階段就被漏掉，從而使設計的汽車整體性能達不到最優［1］。

隨著計算機技術的飛速發展，采用計算機模擬計算方法可以有效地對汽車的動力性和經濟性進行計算分析。計算機模擬計算法通過輸入電動機以及相關的各項參數，模擬汽車在各種工況下的行駛過程，并計算各種循環工況下的整車能耗和動力性指標。因此，在進行汽車動力傳動系匹配設計時，可以應用計算機模擬計算方法，在仿真軟件里建立傳動系和整車模型，并且選用合適的優化算法求出最佳的傳動系參數，使整車動力性和經濟性最優。

1整車參數及設計要求

增程式電動校車基本參數及設計要求如表1所示。

表1增程式電動校車主要技術參數

2驅動電機參數匹配設計

對于電動汽車的驅動電機，需要確定的參數主要有：額定功率、峰值功率、額定轉速和最高轉速。

2.1驅動電機額定功率

2.2驅動電機峰值功率

驅動電機在峰值功率下可以穩定運行一段時間，以滿足汽車最大爬坡度和加速性能的要求。

（1）汽車在加速的末尾時刻，其電動機的輸出功率最大，所以加速過程的最大需求功率為：

（2）汽車爬最大坡度時速度較低，忽略空氣阻力的影響，汽車最大爬坡度時的需求功率為：

2.3驅動電機的額定轉速和最高轉速

電動機的最高轉速對電動機的制造工藝、制造成本和傳動系尺寸有很大影響。轉速在以上的為高速電機，以下的為普通電機。高速電機制造成本高，制造工藝復雜，對其配件有特殊要求，需要配套的軸承和齒輪等，一般適用于電動轎車，很少在客車上使用［5，6］。因此，本文研究的增程式電動校車應選擇轉速以下的普通電機。

2.4驅動電機匹配結果

根據項目要求的性能指標，按照上述的匹配原則和步驟，對驅動電機進行匹配及選型，具體參數如表2所示。

表2驅動電機參數

3動力電池參數匹配設計

增程式電動校車大部分工況下采用純電池能量驅動車輛行駛，因此動力電池必須滿足車輛所有行駛工況要求。綜合考慮各種電池的性能，選用錳酸鋰電池，單體電池的標稱電壓為3.7，額定容量35。

增程式電動汽車電池組的容量必須滿足純電續駛里程要求，電池組容量為：

4傳動比約束條件的建立

4.1最小傳動比約束

最小傳動比約束主要從最高車速和最高擋動力因素兩方面體現［7］。

（1）最高車速約束。

（2）最高擋動力因素約束。

4.2最大傳動比約束

最大傳動比約束主要從最大爬坡度和地面附著力兩方面體現。

（1）最大爬坡度約束。

（2）地面附著力約束。

5傳動比優化仿真模型建立

電動汽車變速箱的傳動比對整車動力性和經濟性有很大影響，當電動汽車的電機和蓄電池選定后，變速箱的變比就直接決定了整車的性能，因此，選擇合適的傳動比就顯得尤為重要，必須對變速箱傳動比進行優化。本文將建立在確定循環工況下的整車能耗模型以及原地起步加速時間仿真模型上，采用多目標優化遺傳算法與聯合仿真，對變速箱傳動比進行優化。

5.1整車能耗仿真模型

在變速箱傳動比優化過程中，以整個循環工況下的整車能耗作為評價指標。根據循環工況給定的車速，通過汽車功率平衡方程，計算電機的需求功率，最后，對整個循環工況下的電機功率進行時間積分，即為整個循環工況下的整車能耗。圖1是整車能耗模型，該模型包括循環工況車速、駕駛員、電機、變速器和車體五個子模型。

圖1整車能耗仿真模型

5.2原地起步加速時間仿真模型

汽車原地起步加速時間是汽車的一個動力性指標，加速時間的長短表明汽車的加速能力。假設汽車在平坦的路面上加速，根據汽車行駛動力學方程建立的汽車原地起步加速時間仿真模型如圖2所示。

圖2原地起步加速時間仿真模型

圖3 ISIGHT與MATLAB的優化模型

6傳動比動力性和經濟性雙目標的優化仿真

由于該項目針對的是校車項目，主要應用于城市公共交通，因此，采用與北京城市公交工況類似的德國紐倫堡工況對整車能耗進行仿真，紐倫堡工況如圖4所示。

圖4紐倫堡工況

圖5 整車能耗W的優化歷史路線

圖6加速時間T的優化歷史路線

圖7為仿真計算結果的一部分，圖8為仿真計算的EDM圖，該仿真優化總共進行了241步運算。

由仿真計算所得最優結果為：低擋總傳動比1=20.53，高擋總傳動比2=9.16，整個循環工況能耗為加速時間為18.29（沒有考慮換擋時間）。滿足車輛動力性設計要求。車輛初始設計的傳動比低擋為1=22.75，高擋為2=6.5，代入仿真模型進行仿真，整個循環工況能耗為5.020～5加速時間為21.64（沒有考慮換擋時間）。可以看出，優化后的傳動比，能夠有效提高車輛的動力性和經濟性。

圖7優化結果

圖8 EDM圖

7結論

電動汽車變速箱的傳動比對整車動力性和經濟性有很大影響。本文以增程式電動校車為例，對其傳動系統進行了參數匹配。在選定電機參數后，用仿真模型代替傳統經濟性目標函數的繁瑣編程，利用聯合仿真對變送器傳動比進行匹配優化。提供了一種無論確定的循環工況多么復雜，都能用仿真計算的方法進行該工況下變速器傳動比的動力性和經濟性的多目標匹配優化，有效提高了車輛的動力性和經濟性。

參考文獻：

［1］朱朋.汽車動力傳動系統優化匹配研究［D］.北京:北京理工大學，2007.

［2］舒紅，秦大同，楊為.混合動力汽車動力傳動系參數設計［J］.農業機械學報，2002，33（1）:19-22.

［3］王慶年，何洪文，李幼德，等.并聯混合動力汽車傳動系參數匹配［J］.吉林工業大學學報，2000，30（1）:72-75.

［4］威魯麥特德.車輛動力學模擬及其方法［M］.北京:北京理工大學出版社，1998.90-101.

［5］初亮.混合動力總成的控制算法和參數匹配研究［D］.長春:吉林大學，2002.

［6］王玨童.純電動客車動力傳動系參數匹配及整車性能研究［D］.長春:吉林大學，2008.

［7］羅韜.基于一體化的動力傳動系統設計研究［D］.北京:北京理工大學，2006.

（責任編輯：朱彬）

The Power Transmission System Matching Design of the Extended-electric School Bus

LIU Xiao-yu，ZHANG Qiang，ZHANG Xu
（College of Engineering and Technology，Zunyi Normal College，Zunyi 563002，China）

Abstract:In thelightofthe drivingfeature of schoolbus，this paper selectsthe Nuremeber’s vehicle energyconsumption，similartourban bus in Beijing，as the economic evaluation index andthe accelerating time as the dymamic evaluation index to evaluate the matching of the power-transmitting system.In the Simulink，the simulation model is used to replace the tedious programming of the traditional fuel economically objective function，the multi-objective optimization genetic algorithm NSGA-11 is selected，ISIGHT and MATLAB cosimulation is taken advantage，and the transmission ratio of extended-electric school bus of the double objective optimization of power and economy is conducted.By comparing with the initial design transmission ration of the vehicle，the results show that the optimized gear ration can effectively improve the power and economy of the vehicle.

Key words:electric vehicles；transmission ratio matching and optimization；NAGA-II；simulation

中圖分類號：U469.72

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3583（2016）-0115-04

收稿日期：2015-09-11

作者簡介：劉曉宇，男，貴州遵義人，遵義師范學院工學院助教，碩士。研究方向：電動汽車傳動系統。