基于Cruise的EMT純電動(dòng)客車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

田韶鵬，趙 爽

(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)

?

基于Cruise的EMT純電動(dòng)客車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

田韶鵬1,2，趙 爽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)

利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件AVL Cruise對(duì)某純電動(dòng)客車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真來驗(yàn)證客車動(dòng)力性。其所采用的EMT(電驅(qū)動(dòng)機(jī)械式自動(dòng)變速器)引入了調(diào)速電機(jī)，具有換擋快速和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。通過設(shè)定變速器和減速器速比的變化范圍，用Isight軟件優(yōu)化耗電量，得出百公里電耗最低的傳動(dòng)比匹配方案。優(yōu)化后百公里電耗減少了約5.27%，動(dòng)力性能滿足設(shè)計(jì)要求。

純電動(dòng)客車；Cruise；EMT；動(dòng)力學(xué)仿真；Isight優(yōu)化

隨著化石燃料的日益枯竭，尋找新能源成為一股熱浪正在襲來。對(duì)于汽車行業(yè)，國(guó)家大力支持新能源汽車的發(fā)展，不管是合資還是國(guó)產(chǎn)的汽車品牌都推出了各自的產(chǎn)品，如本田的IMA、豐田THS-Ⅱ、雪佛蘭Voltec。大眾也不甘示弱，其家族的新成員E-up已于2014年11月在國(guó)內(nèi)上市，按照新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)標(biāo)準(zhǔn)，大眾E-up一次充電續(xù)航里程為150 km[1]。因此，為了滿足武漢某新能源公司產(chǎn)品的相關(guān)要求，利用AVL公司的汽車仿真軟件Cruise對(duì)其純電動(dòng)EMT大巴進(jìn)行仿真，并采用Isight軟件對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過調(diào)整傳動(dòng)系統(tǒng)速比使得該車在保證動(dòng)力性的前提下，百公里電耗盡可能低[2]。

1 Cruise仿真分析軟件

AVL公司開發(fā)的Cruise是研究車輛動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能及制動(dòng)性能等的高級(jí)仿真分析軟件。Cruise的基本功能包括：①車輛基本性能的分析與評(píng)價(jià)；②車輛傳動(dòng)系統(tǒng)匹配及參數(shù)優(yōu)化；③概念新車評(píng)價(jià)(如純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力車、燃料電池車)；④先進(jìn)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的分析評(píng)價(jià)(換擋控制策略的生成及優(yōu)化)；⑤車輛零部件子系統(tǒng)的分析評(píng)價(jià)；⑥復(fù)雜條件下的的車輛性能研究(從SiL到HiL)。

Cruise研究涵蓋的車輛種類很多，包括傳統(tǒng)車輛、混合動(dòng)力及純電動(dòng)汽車、2輪及3輪摩托車、公交車、卡車、拖掛車和特種車輛等。圖1所示為Cruise的運(yùn)行界面。

圖1 Cruise運(yùn)行界面

2 EMT變速器原理

EMT變速器全稱為電驅(qū)動(dòng)機(jī)械式自動(dòng)變速器(electric-drive mechanical transmission)。由于純電動(dòng)客車安裝空間有限,采用無離合器的電機(jī)與變速器同軸直連方案，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。利用電機(jī)快速、精確響應(yīng)的特點(diǎn),主動(dòng)調(diào)節(jié)一軸(驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸)轉(zhuǎn)速,使換擋時(shí)待嚙合齒圈與嚙合套同步,實(shí)現(xiàn)更精確、容量更大的同步效果,換擋更快、更平穩(wěn),動(dòng)力中斷時(shí)間更短[3]。

1—驅(qū)動(dòng)電機(jī);2—驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子;3—變速器一軸;4—EMT變速器;5—輸出軸;6—中間軸圖2 基于EMT的純電動(dòng)系統(tǒng)變速器結(jié)構(gòu)圖

3 車輛參數(shù)分析

3.1 車輛基本參數(shù)和設(shè)計(jì)要求

表1所示為車輛基本參數(shù)。表2所示為模型所用4擋EMT變速器各擋傳動(dòng)比。表3所示為該車型初始設(shè)計(jì)參數(shù)要求。

表1 車輛參數(shù)

表2 變速器傳動(dòng)比參數(shù)

表3 設(shè)計(jì)要求

電池采用國(guó)軒538 V的磷酸鐵鋰電池，電機(jī)為三相異步交流電動(dòng)機(jī)，最高轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，電機(jī)效率如圖3所示，電機(jī)效率80%以上為高效區(qū)。

圖3 電機(jī)效率

3.2 動(dòng)力參數(shù)驗(yàn)證

3.2.1 加速能力

該模型采用的是轉(zhuǎn)速換擋模式，即換擋過程始終要保持電機(jī)工作在高效率區(qū)，加速過程同樣如此，通過對(duì)比電機(jī)效率圖確定電機(jī)轉(zhuǎn)速1 000～2 400 r/min為高效區(qū)，各擋位對(duì)應(yīng)的高效率區(qū)車速如表4所示。

表4 各擋高效區(qū)對(duì)應(yīng)車速 km/h

取效率最高的車速來估算0～50 km/h加速時(shí)間,按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：v1和v2為高效區(qū)內(nèi)1擋和2擋效率最高的車速，取18.2 km/h和24.5 km/h；各擋扭矩取900 N·m；Ff和Fw為滾動(dòng)阻力和空氣阻力；Ft1、Ft2、Ft3和δ1、δ2、δ3分別為各擋下的驅(qū)動(dòng)力和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，按式(2)[4]計(jì)算：

(2)

通過計(jì)算可得t約為20.9 s，加上0.5 s換擋時(shí)間約為21.4 s。

3.2.2 最高車速

車輛的最高車速定義為平坦路面上，在電動(dòng)機(jī)全功率情況下，車輛所顯示的恒定巡航車速。根據(jù)汽車?yán)碚撝邢嚓P(guān)的公式[5]計(jì)算如下：

Vmax=0.377npmaxrd/igmin

(3)

其中，npmax和igmin分別為電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)系統(tǒng)的最小傳動(dòng)比。由已知參數(shù)知，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，最小傳動(dòng)比為5.45，計(jì)算可得最高車速Vmax為107.5 km/h。

3.2.3 爬坡能力

爬坡能力通常定義為汽車在良好路面上克服摩擦阻力和滾動(dòng)阻力后的余力全部用來克服坡度阻力時(shí)能爬上的坡度。

(4)

已知電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為900 N·m，并取爬坡車速為5 km/h，ηT取0.95，按1擋最大傳動(dòng)比計(jì)算，由式(4)可算出α為11.2°，轉(zhuǎn)化為爬坡度即約為19.8%。

3.2.4 續(xù)駛里程

續(xù)行里程表示電動(dòng)汽車一次充滿電(或儲(chǔ)能)能夠行駛的最大里程數(shù)。按式(5)[6]計(jì)算：

s=3 600EBηTηmcηDODηq/F

(5)

式中：EB為電池組總?cè)萘?；ηT,ηmc,ηDOD,ηq分別為傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率，電機(jī)效率，蓄電池放電深度和蓄電池平均放電效率；F為行駛阻力。經(jīng)計(jì)算s=233.6 km。

4 仿真模型的建立和分析

4.1 系統(tǒng)建模仿真

傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車大多是電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛，由于國(guó)內(nèi)自動(dòng)變速器發(fā)展較慢，因此在純電動(dòng)或者混合動(dòng)力電動(dòng)汽車上應(yīng)用變速器的較少。但是隨著EMT變速器的出現(xiàn)這種局面將逐漸被打破。EMT變速器結(jié)合了傳統(tǒng)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便及性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，取消了同步環(huán)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了變速器結(jié)構(gòu)。筆者所構(gòu)建的模型如圖4所示。模型以純電動(dòng)客車為載體，加入了EMT變速器，并采用轉(zhuǎn)速換擋模式來模擬整車行駛的換擋過程。

圖4 純電動(dòng)EMT客車模型

該模型建立了4個(gè)計(jì)算任務(wù)，如圖5所示，分別為循環(huán)工況、0～50 km/h加速工況、定速巡航工況和爬坡工況[7]。

圖5 計(jì)算任務(wù)圖

(1) 循環(huán)工況所運(yùn)行的工況為國(guó)內(nèi)典型城市公交工況，采用滿載計(jì)算模式，其數(shù)據(jù)如圖6所示，仿真結(jié)果如圖7所示。循環(huán)工況顯示車輛的加速度與速度隨著時(shí)間變化的曲線，虛線是車速，實(shí)線是加速度。實(shí)線上方表示加速過程，實(shí)線下方表示減速過程。

圖6 典型國(guó)內(nèi)城市公交工況

圖7 循環(huán)工況車速變化圖

(2) 加速工況同樣采用滿載模式計(jì)算和轉(zhuǎn)速換擋模式，換擋過程變化如圖8所示。

圖8 換擋過程變化圖

圖9 加速工況仿真結(jié)果圖

加速工況仿真結(jié)果如圖9所示，從圖9可看出，模型仿真結(jié)果顯示車輛最高車速為107 km/h，與計(jì)算結(jié)果相差較小，說明該模型的加速任務(wù)的仿真結(jié)果較準(zhǔn)確；同時(shí)模型中車輛在加速過程中加速度的變化較小與EMT變速器換擋規(guī)律比較吻合，說明模型采用轉(zhuǎn)速換擋模式可以較好地仿真EMT變速箱的運(yùn)行特性。

(3)爬坡工況所采用滿載計(jì)算得出各擋的爬坡度仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 各擋爬坡車速與爬坡度關(guān)系圖

1擋的爬坡度反映了整車最大的爬坡度，由圖10可知，1擋爬坡度約為20.29%，比實(shí)際計(jì)算結(jié)果19.80%略有誤差。

(4)巡航工況采用定速巡航模式計(jì)算續(xù)駛里程，仿真得到續(xù)駛里程為229 663.20 m。

4.2 仿真結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果，以及兩者的誤差如表5所示。

表5 計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

比較參數(shù)發(fā)現(xiàn)，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，誤差在允許范圍內(nèi)，其中加速時(shí)間的誤差較大，主要原因有兩點(diǎn)：①計(jì)算時(shí)選取的換擋車速不是最優(yōu)換擋車速;②電機(jī)扭矩選取不準(zhǔn)確。仿真得到的電耗為95.91 kW/h。

5 Isight優(yōu)化

筆者采用Isight+Cruise優(yōu)化的方式來求解百公里電耗最低的傳動(dòng)匹配方案。Isight中的多島遺傳算法(multi-island genetic algorithm，MIGA)本質(zhì)上是對(duì)并行遺傳算法(parallel distributed genetic algorithms，PDGAS)的改進(jìn)，它具有比傳統(tǒng)遺傳算法更優(yōu)良的全局求解能力和計(jì)算效率[8]。筆者優(yōu)化即采用多島優(yōu)化。多島遺傳算法作為一種偽并行遺傳算法可避免早熟和加快收斂速度,可以更好地在優(yōu)化域中尋找全局最優(yōu)解。優(yōu)化計(jì)算次數(shù)N=(Sub-Population Size)×(Number of Island)×(Number of Generation)，優(yōu)化模型和參數(shù)設(shè)置界面如圖11所示。優(yōu)化的原理是選取變量1擋i1、2擋i2、3擋i3和減速器速比g0，直接擋效率較高故不做優(yōu)化。最大傳動(dòng)比取決于整車的最大爬坡度,最小速比取決于整車的最高車速[9]，通過計(jì)算得出i1>3.45,g0<7.32。再由電機(jī)高效區(qū)轉(zhuǎn)速可確定g0>2.44，由附著條件確定i1<6.10，擋與擋之間傳動(dòng)比值一般介于1.7～1.8，變化范圍如表6所示。

圖11 優(yōu)化模型和模型參數(shù)設(shè)置界面

表6 擋位變化范圍表

設(shè)定約束條件:爬坡度最低為20%，0～50 km/h加速時(shí)間最高為25 s,優(yōu)化目標(biāo)為電耗最低。同樣選取上述國(guó)內(nèi)典型城市公交工況，計(jì)算6 000次后得出百公里電耗的尋優(yōu)結(jié)果如圖12所示。 其中帶十字線的為最優(yōu)點(diǎn)，查看Isight中的history找到最優(yōu)點(diǎn)的傳動(dòng)比匹配方案，如圖13所示。將其代入Cruise計(jì)算得出動(dòng)力參數(shù)，與優(yōu)化前進(jìn)行比較，如表7所示。

圖12 百公里耗電量尋優(yōu)及爬坡度變化圖

通過比較優(yōu)化前和優(yōu)化后的動(dòng)力性能參數(shù)發(fā)現(xiàn)，加速時(shí)間基本沒變，最高車速減小約2.8%，爬坡性能增加了1.3%，續(xù)駛里程增加了1.3%。優(yōu)化的結(jié)果對(duì)最高車速影響較大，其原因主要是1擋傳動(dòng)比變化較大，但是仍然滿足設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化后的百公里電耗為90.64 kW/h,電耗減少了5.27%。

圖13 最優(yōu)解傳動(dòng)比方案

表7 計(jì)算與優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)論

Cruise是一款功能強(qiáng)大的仿真軟件，利用Cruise建模不僅可以預(yù)估車輛的各項(xiàng)參數(shù)，還能實(shí)現(xiàn)不同類型車輛的仿真，Cruise主要用于車輛的前期開發(fā)，通過仿真模擬，可以避免較大的誤差，節(jié)約大量的研發(fā)成本。利用Isight中的MIGA全局優(yōu)化算法可以選取最經(jīng)濟(jì)的匹配方案，經(jīng)過優(yōu)化整車百公里耗電量減少了5.27%。

[1] 李忠東.大眾推出第一款純電動(dòng)車“E-up!”[J].輕型汽車技術(shù),2013(2):39-40.

[2] 詹樟松,楊正軍,劉興春.汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和匹配研究[J].汽車技術(shù),2007(3):17-20.

[3] 王凡.電驅(qū)動(dòng)機(jī)械式自動(dòng)變速系統(tǒng)(EMT)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2011.

[4] 李康,孫紅,周輝,等.CA6127URE31純電動(dòng)城市客車性能計(jì)算[J].客車技術(shù)與研究,2011(2):42-44.

[5] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009：6-8.

[6] 麻友良,嚴(yán)運(yùn)兵.電動(dòng)汽車概論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012:90-93.

[7] AVL . AVL Cruise 2010 User Guide[M]．[S.l.]:[s.n.],2010:91-116.

[8] 賴宇陽(yáng).Isight參數(shù)優(yōu)化理論與實(shí)例詳解[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012:138-140.

[9] 王玨童.純電動(dòng)客車動(dòng)力傳動(dòng)參數(shù)匹配及整車性能研究[D].吉林:吉林大學(xué),2008.

TIAN Shaopeng:Prof.; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[編輯：王志全]

Optimization on Power Train Parameters of Pure Electric Bus with EMT Based on Cruise

TIANShaopeng,ZHAOShuang

AVL Cruise software was used to do dynamics simulation to verify the performance of power of a pure electric bus. A speed regulating motor was introduced in EMT (electric drive automatic mechanical transmission) of this bus. The EMT has the advantage of fast and accurate shifting. By changing the setting range of transmission and the reducer ratio, the ratio matching scheme was obtained using the Isight optimization software which makes the lowest power consumption per 100 km. After optimization the power consumption reduces by about 5.27% per 100 km. Dynamic performance meets the design requirements.

pure electric bus; Cruise; EMT; dynamics simulation; Isight optimization

2015-03-26.

田韶鵬(1974-)，男，河南南陽(yáng)人，武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院教授;博士.

國(guó)家科技部“863”重大科研基金資助項(xiàng)目(2011AA11A260).

2095-3852(2015)05-0552-05

A

TP391.9；U462.22

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.05.006