純電動(dòng)城市客車動(dòng)力參數(shù)匹配與優(yōu)化分析

汪 洋，田韶鵬

(1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070)

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純電動(dòng)城市客車動(dòng)力參數(shù)匹配與優(yōu)化分析

汪 洋1,2，田韶鵬1,2

(1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070)

根據(jù)純電動(dòng)城市客車對動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的要求，對其整車參數(shù)和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了動(dòng)力系統(tǒng)匹配，以Cruise為平臺(tái)，分別建立了各個(gè)部件的仿真模型并構(gòu)成整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)。結(jié)合仿真結(jié)果，對其性能表現(xiàn)進(jìn)行了分析。為了更好地提升整車性能表現(xiàn)，利用Isight對傳動(dòng)系傳動(dòng)比進(jìn)行優(yōu)化，使其整車性能尤其是經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)。

純電動(dòng)城市客車；動(dòng)力系統(tǒng)；參數(shù)匹配；仿真分析；經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化

隨著對環(huán)境保護(hù)問題關(guān)注的日益增長，純電動(dòng)城市客車的發(fā)展越來越受到人們的重視?？蛙嚧蟛糠謺r(shí)間運(yùn)行在道路擁擠的城市內(nèi)，在保證動(dòng)力性的前提下，經(jīng)濟(jì)性顯得尤為重要。根據(jù)整車參數(shù)及動(dòng)力性要求對客車的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行匹配，包括電機(jī)、變速器，以及電池等。利用Cruise對整車建模仿真得出仿真結(jié)果。為了達(dá)到最優(yōu)的性能表現(xiàn)，將Isight與Cruise進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，得到經(jīng)濟(jì)性優(yōu)先的最優(yōu)傳動(dòng)系傳動(dòng)比。

1 純電動(dòng)城市客車整車參數(shù)及設(shè)計(jì)要求

純電動(dòng)城市客車整車參數(shù)、變速器參數(shù)及設(shè)計(jì)要求如表1～表3所示。

表1 整車參數(shù)

表2 變速器參數(shù)

表3 設(shè)計(jì)要求

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)選擇與匹配

2.1.1 峰值功率的確定

(1)根據(jù)最高車速確定。電機(jī)峰值功率應(yīng)當(dāng)滿足最高車速要求，即峰值功率應(yīng)大于等于客車在無坡度路面上以最高車速勻速行駛時(shí)所受到的阻力功率[1-2]，因此根據(jù)最高車速確定電機(jī)峰值功率P1，如式(1)所示：

(1)

式中：ητ為機(jī)械效率；m為整車總質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；umax為最高車速；CD為空氣阻力系數(shù)；A為風(fēng)阻面積。

(2)根據(jù)最大爬坡度確定。最大爬坡度對于電機(jī)的峰值功率是必不可少需要考慮的因素[3]。根據(jù)最大爬坡度功率需求可以推出電機(jī)峰值功率P2，如式(2)所示：

(2)

式中：ua為爬坡車速；α為最大爬坡度。

(3)根據(jù)0～50 km/h的加速性能確定。城市客車在行駛過程中需要不斷地起步、制動(dòng)，該行駛特點(diǎn)對加速性能(尤其是0～50 km/h常用速度段)有一定的要求[4]。在良好路面上，車輛從靜止起步的加速過程如式(3)所示：

v=vm(t/tm)x

(3)

式中:x為擬合系數(shù)，一般取0.5；vm為加速完成時(shí)車輛的末速度；tm為車輛從靜止起步到末速度所用時(shí)間。

車輛的加速需求功率P3如式(4)所示：

(4)

式中：δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；du/dt為行駛加速度。

再將式(3)代入式(4)可以得到峰值功率，如式(5)所示：

(5)

故峰值功率Pmax應(yīng)滿足Pmax≥max[P1,P2,P3]。

2.1.2 額定功率的確定

電機(jī)額定功率可由式(6)求出：

Pe=Pmax/λ

(6)

式中：Pe為額定功率；λ為電機(jī)過載系數(shù)，一般取2～3，筆者取2。

2.1.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速的確定

相對于低速電機(jī)，中速電機(jī)和高速電機(jī)的造價(jià)較高，且它們對與其配套的軸承等有著很高的要求，過高的轉(zhuǎn)速還會(huì)增加機(jī)械損失[5]。因此筆者選用低速電機(jī)，取最高轉(zhuǎn)速nmax為4 000 r/min。根據(jù)式(7)所示車速與電機(jī)轉(zhuǎn)速間的關(guān)系，經(jīng)驗(yàn)證得知最高轉(zhuǎn)速選取滿足最高車速要求。

電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速如式(8)所示：

nmax≥vmaxi0igmin/(2πr)

(7)

ne=nmax/β

(8)

式中：ne為額定轉(zhuǎn)速；nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速；β為電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)，其值一般在2～4之間，筆者取2.5。

2.1.4 電機(jī)轉(zhuǎn)矩的確定

電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩Te可由電機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速確定，如式(9)所示：

Te=9 550Pe/ne

(9)

電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩Tmax如式(10)所示：

Tmax=λTe

(10)

2.2 電池組參數(shù)匹配

電池組是純電動(dòng)客車的動(dòng)力來源，是其重要組成部件[6]。筆者選用能量密度較高的鋰電池構(gòu)成能量型電池組，電池組電壓選為538V。

為了提高電池壽命，充滿電后電池SOC上限按照90 %計(jì)算，最大放電SOC下限按10 %計(jì)算，續(xù)航里程按250 km計(jì)算。續(xù)航過程設(shè)為無風(fēng)狀態(tài)，在水平道路上以40 km/h勻速行駛且無加速阻力，車輛所需的驅(qū)動(dòng)力如式(11)所示：

(11)

式中：G為滿載質(zhì)量；va為勻速行駛車速。則車輛行駛250 km所需的功W為：

W=Fs

(12)

其中，s為勻速行駛距離。

需要的電池?cái)?shù)目為：

(13)

式中：Us為電池單體額定電壓；Cs為電池單體容量；DOD為放電深度，取80 %。因此串聯(lián)的電池?cái)?shù)目N1為：

N1=U/Us

(14)

并聯(lián)的電池?cái)?shù)目N2為：

N2≥N/N1

(15)

2.3 匹配結(jié)果

驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)和電池組參數(shù)分別如表4和表5所示。

表4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

表5 電池組參數(shù)

3 基于Cruise的整車建模仿真

3.1 整車模型的建立

利用上述增程式客車的具體參數(shù)在Cruise中建立模型，如圖1所示。該模型主要包括電池模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、變速器模塊、主減速器模塊、輪胎模塊、制動(dòng)模塊和車用電器模塊等。

圖1 純電動(dòng)客車Cruise整車模型

3.2 循環(huán)工況下的仿真

由于該車型為城市客車，主要運(yùn)行在道路狀況擁擠的城市工況，因此選用了中國城市道路典型工況(CUDC)進(jìn)行仿真。該工況總行駛里程為5.89 km，歷時(shí)1 314 s，最高車速為60 km/h，平均車速為16 km/h，其工況曲線如圖2所示。

圖2 中國城市道路典型工況

由圖3可以看出，SOC初始值為90 %，隨著循環(huán)的進(jìn)行，SOC整體呈下降趨勢，循環(huán)結(jié)束時(shí)電池SOC為88.03 %。經(jīng)過轉(zhuǎn)換計(jì)算得到該工況下的耗電量為70.18 kW·h/100 km，與其他車型相比有較大的優(yōu)勢。

圖3 循環(huán)工況SOC曲線

圖4 全負(fù)荷加速及最高車速曲線

3.3 全負(fù)荷加速及最高車速仿真結(jié)果

全負(fù)荷加速曲線體現(xiàn)了車輛的加速性能，圖4為全負(fù)荷加速及最高車速曲線。由圖4可知，該車型0～50 km/h加速用時(shí)19.2 s，滿足該車型給出的加速時(shí)間指標(biāo)要求(≤20 s)。由于電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩較大，能夠獲得的加速度較大，0～20 km/h加速時(shí)間較短，這正好符合城市客車的運(yùn)行特點(diǎn)。由于我國規(guī)定最高車速在滿載的情況下測定，因此最高車速曲線與全負(fù)荷加速曲線重合，并且最高車速在104 km/h左右，滿足最高車速要求。

3.4 最大爬坡度的仿真結(jié)果

爬坡性能是車輛動(dòng)力性好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，圖5所示為各擋最大爬坡度。由圖5可以得到，滿載情況下該車1擋最大爬坡度在22 %左右，即使在1擋10 km/h的情況下爬坡度也能維持在20.7 %左右，滿足動(dòng)力性指標(biāo)1擋爬坡度≥18 %，可見其爬坡性能良好。

圖5 各擋最大爬坡度曲線

3.5 續(xù)航里程的仿真結(jié)果

由于Cruise中沒有專門針對純電動(dòng)客車?yán)m(xù)航里程的計(jì)算任務(wù)，因此建立一個(gè)40 km/h勻速行駛工況，用該工況對續(xù)航里程進(jìn)行仿真，如圖6所示。可以看出，初始SOC值為90 %，在續(xù)航里程達(dá)到250 km時(shí)，SOC值約為10 %，在滿足續(xù)航里程要求的條件下，又滿足了電池的放電深度要求。

圖6 40 km/h勻速行駛下續(xù)航里程曲線

4 傳動(dòng)比優(yōu)化

Isight可與Cruise進(jìn)行集成運(yùn)算優(yōu)化[7]。一般優(yōu)化流程為：①進(jìn)行Isight與Cruise之間的bat調(diào)用文件設(shè)置，使Isight能夠調(diào)用Cruise建立的整車模型。②進(jìn)行優(yōu)化方案的設(shè)定，包含初值、約束、方法、目標(biāo)等。③進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，輸出結(jié)果。

當(dāng)變速器處在直接擋擋位時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)變速器第一軸和第二軸直接輸出，不經(jīng)過其他齒輪，此時(shí)變速器的傳動(dòng)效率高。因此，沒有對4擋傳動(dòng)比即直接擋進(jìn)行優(yōu)化，而是選擇變速器的1、2、3擋傳動(dòng)比和主減速比作為優(yōu)化變量，即：

X=[X1,X2,X3,X4]T=[ig1,ig2,ig3,i0]T

(16)

4.1 動(dòng)力性目標(biāo)函數(shù)

汽車動(dòng)力性主要表現(xiàn)在3個(gè)指標(biāo)上，即最大爬坡度Gmax、最高車速umax和加速時(shí)間t[8]。由于該車型為城市客車，大部分時(shí)間是行駛在坡度較小的平坦路面[9]，只有部分路況，如高架橋、地下隧道等需要考驗(yàn)車輛的爬坡能力，因此最大爬坡度權(quán)重因子取為0.2。在城市道路行駛出于安全因素和交通狀況的考慮，車速也不能過高，最高車速權(quán)重因子取為0.1。起步時(shí)間對于城市客車來說顯得尤為重要，因?yàn)樵谑袇^(qū)行駛起步后需要盡快匯入車流，所以加速時(shí)間權(quán)重因子取為0.7。

動(dòng)力性目標(biāo)函數(shù)如式(17)所示：

(17)

式中：Gmax為優(yōu)化后爬坡度的終值；Gmax0為仿真模型中爬坡度的初值；umax為優(yōu)化后最高車速的終值；umax0為仿真模型中最高車速的初值；t為優(yōu)化后0～50 km/h的加速時(shí)間；t0為仿真模型中0～50 km/h的加速時(shí)間。

4.2 經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)

CUDC循環(huán)比較接近實(shí)際行駛情況，由于是純電動(dòng)車型，因此可從電耗水平來評(píng)價(jià)其經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)如式(18)所示：

(18)

式中：Cpower為優(yōu)化后的百公里耗電量；Cpower0為仿真模型中百公里耗電量。

對于城市客車來說，由于運(yùn)行時(shí)間較長，在動(dòng)力性條件滿足的情況下，經(jīng)濟(jì)性顯得尤為重要，因此綜合目標(biāo)函數(shù)中，動(dòng)力性目標(biāo)函數(shù)權(quán)重因子分配為0.3，經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)權(quán)重因子分配為0.7。

4.3 約束條件

約束條件主要有各擋傳動(dòng)比之間的要求，動(dòng)力性要求和整車設(shè)計(jì)要求。

相鄰擋位之間的傳動(dòng)比比值不宜過大，過大會(huì)造成換擋困難，一般認(rèn)為比值應(yīng)小于等于1.8。

(19)

(20)

由于高擋位利用率較高，隨著擋位數(shù)的升高，相鄰兩擋傳動(dòng)比也逐漸減小。

(21)

(22)

1擋起步時(shí)，最大驅(qū)動(dòng)力必須小于等于地面對輪胎的附著力。

(23)

1擋傳動(dòng)比還應(yīng)滿足最大爬坡度要求，即：

(24)

同時(shí)還應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求：

g7(X)=18-Gmax≤0

(25)

g8(X)=t0～50-20≤0

(26)

g9(X)=100-vmax≤0

(27)

綜上所述，該多目標(biāo)優(yōu)化問題可表述為：

最大化D(X)，E(X)

約束條件gj(X)≤0 (j=1,2,…,9)

4.4 Isight-Cruise聯(lián)合優(yōu)化

Isight優(yōu)化模型如圖7所示。Simcode中調(diào)用Cruise模型數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，優(yōu)化結(jié)果如表6所示。

圖7 Isight優(yōu)化模型

由表6可以看出，動(dòng)力性表現(xiàn)在優(yōu)化后均下降，因此D(X)表現(xiàn)為負(fù)值。這是因?yàn)樵诓桓淖兂齻鲃?dòng)比以外的其他部件參數(shù)的前提下，經(jīng)濟(jì)性得到優(yōu)化提升則會(huì)導(dǎo)致整車動(dòng)力性表現(xiàn)下降。優(yōu)化后的傳動(dòng)比所帶來的電耗比優(yōu)化前減少了1.74%，這意味著長時(shí)間行駛在城市道路的客車更加節(jié)能。

表6 Isight優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié)論

介紹了一種純電動(dòng)城市客車的動(dòng)力參數(shù)匹配方法，并利用Cruise建立了其仿真模型，對整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，該車的加速性能、爬坡性能、最高車速、續(xù)航里程滿足該車的行駛要求，從而驗(yàn)證了動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。為了更好地提升該車型的經(jīng)濟(jì)性，利用Isight對傳動(dòng)系傳動(dòng)比進(jìn)行優(yōu)化，在滿足動(dòng)力性能的前提下，更好地滿足了經(jīng)濟(jì)性要求。

[1] 袁苑.中型純電動(dòng)客車動(dòng)力參數(shù)匹配仿真及再生制動(dòng)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2012.

[2] 劉新.純電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配與仿真研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2013.

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[9] 徐達(dá)偉,回春.基于Cruise的純電動(dòng)客車仿真分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版),2015，37(2):183-186.

WANG Yang:Postgraduate; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[編輯：王志全]

Dynamic Parameters Matching and Optimization Analysis of a Pure Electric City Bus

WANGYang,TIANShaopeng

For pure electric city bus, economy appears to be particularly important when dynamic requirements are satisfied. Firstly, according to the bus data and design requirements of a pure electric bus, dynamic parameters were matched. Simulation models of each component that makes up the whole powertrain were established depending on the platform of cruise. Then, the simulation results of each performance were analyzed. For further improving the vehicle performance, powertrain ratios were optimized by Isight resulting in the optimal vehicle performance, especially economic performance.

pure electric city bus; powertrain; parameters matching; simulation analysis; economic optimization

2015-05-20.

汪洋(1990-)，山東濟(jì)寧人，武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院碩士研究生.

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”項(xiàng)目)基金資助項(xiàng)目(2011AA11A260).

2095-3852(2015)06-0688-05

A

U270.2

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.06.006