基于AMESim的電動客車傳動系分析與研究

田晉躍，王晨陽

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

基于AMESim的電動客車傳動系分析與研究

田晉躍，王晨陽

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

以某電動中型客車為研究對象，對加裝變速器后的整車動力總成系統(tǒng)進行研究，分析并建立了整車數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，利用AMESim建立了整車仿真模型，并利用Matlab/Simulink建立整車控制器。針對NEDC循環(huán)工況和加速工況對其進行了模擬仿真；分析了傳動系參數(shù)對整車加速度特性、最高車速、經(jīng)濟性及沖擊度的影響。利用遺傳算法對傳動系的傳動比進行了優(yōu)化，在保證整車沖擊度達標(biāo)的前提下改善了整車動力性與經(jīng)濟性。

電動客車；傳動系統(tǒng)；AMESim；Simulink

電動汽車的傳動系主要包括動力電池、驅(qū)動電機、變速器機構(gòu)、主減速器、差速器、驅(qū)動輪等[1]。早期的電動汽車由于電機具有較好的調(diào)速特性，因此采用電機直接驅(qū)動整車的形式，電機的動力直接傳遞到車輪，車輛加速和減速可以直接通過控制電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，這種驅(qū)動方式具有非常好的舒適性。傳統(tǒng)的驅(qū)動形式雖然具有較好的舒適性，但是當(dāng)車輛在高速行駛時，電機轉(zhuǎn)速也會較高，此時整車的后備動力較小，可能無法滿足加速需求，同時由于電動機轉(zhuǎn)速變化較大，導(dǎo)致其長期處于低效率和低功率區(qū)域，也對電機轉(zhuǎn)速要求較高，增加了電機制造難度。Manish Kulkarni[2]運用PID控制原理對換擋過程進行控制，建立雙離合的仿真模型，對其換擋過程進行分析，得到了較為理想的控制效果。

雙離合自動變速器(DCT)在換擋過程中通過兩個離合器的配合工作，實現(xiàn)無動力中斷換擋，在縮短換擋時間的同時減小換擋沖擊度。但是相較于直接驅(qū)動，其在起步和換擋的過程中仍不可避免地會產(chǎn)生一定的沖擊從而降低車輛的駕駛舒適性。因此，在對傳動系進行改造的同時，有必要探索傳動系的變化與整車沖擊度之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，以便能在提升動力性與經(jīng)濟性的情況下保證良好的整車平順性。

1.整車動力學(xué)模型

1.1整車動力模型

整車(參數(shù)見表1)作為一個整體，是一個多自由度系統(tǒng)。車輛在行駛過程中所受的阻力包括滾動阻力、坡度阻力、空氣阻力。車輛在行駛時的受力方程為[3-4]

(1)

式中：m為整車質(zhì)量；f為車輪滾動阻力系數(shù)；γ為坡度角；CD為空氣阻力系數(shù)；S為迎風(fēng)面積；ν為車速；δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

1.2 驅(qū)動電機模型

驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩特性數(shù)據(jù)由試驗所得。電動客車所裝的Honda永磁同步電機的實驗數(shù)據(jù)如圖1所示。

電機的輸入為加速、制動和車速信號。電機工作時的方程為

Te=9 550P/n

(2)

式中：P為電機功率；T為電機轉(zhuǎn)矩；n為電機轉(zhuǎn)速。

表1 整車及其他參數(shù)Table 1 Vehicle & others parameters

圖1 電機效率特性圖Fig.1 The efficiency map of motor

1.3 傳動比初步選擇

傳動系最低擋的速比選擇應(yīng)滿足整車的最大爬坡度需求[5]：

(3)

由最高車速需求，確定最高擋位傳動系的最小速比應(yīng)滿足：

(4)

式中：imax為最大傳動比；imin為最小傳動比；νn為爬坡車速；νmax為最高車速；amax為最大爬坡度；Tmax為電機最大轉(zhuǎn)矩；nmax為電機最高轉(zhuǎn)速；ηT為傳動系總效率。

1.4 變速器結(jié)構(gòu)分析

本文所研究的兩擋變速器如圖2所示，在變速器的奇數(shù)軸與偶數(shù)軸上分別只設(shè)置1個擋位，離合器1控制1擋，離合器2控制2擋，離合器1的輸出軸為實心軸，離合器2的輸出軸為空心軸，實心軸從空心軸中穿過。由于各軸上只有1個擋位，因此不再需要同步器來控制齒輪的結(jié)合與分離，使得結(jié)構(gòu)簡化，重量減輕，同時也使控制更加容易。

車輛起步后在一擋行駛，離合器C1結(jié)合，離合器C2處于分離狀態(tài)，當(dāng)車輛即將達到換擋條件時，ECU迅速向電動機發(fā)出指令，電動機轉(zhuǎn)速升高，離合器C1緩慢分離，同時離合器C2開始接合，直到離合器C2完全接合而離合器C1分離，換擋過程結(jié)束，車輛由一擋換為兩擋。降擋過程與升擋過程大致相似，整個換擋過程由2個離合器相互配合操作，相互切換即可完成。整車及匹配后相關(guān)部件參數(shù)如表1所示。

圖2 兩擋雙離合器變速器模型Fig.2 Two-speed transmission simulation model

2 Matlab換擋控制器研究

2.1 離合器換擋過程研究

離合器的接合過程如圖3所示。 離合器受壓開始工作，首先消除主、從動摩擦片之間的空隙；隨著離合器活塞壓力的不斷增加，主、從動摩擦片開始接觸，離合器摩擦面之間所傳遞的轉(zhuǎn)矩不斷增加并克服阻轉(zhuǎn)矩帶動從動盤旋轉(zhuǎn)直至主、從動盤轉(zhuǎn)速一致。在離合器控制過程中，離合器所能傳遞的力矩大小是通過控制離合器摩擦片上的壓力來調(diào)節(jié)的，其傳遞轉(zhuǎn)矩Tck為[6-10]：

(5)

式中：μd為摩擦片的動態(tài)摩擦系數(shù)；FA為離合器活塞作用力；n為離合器摩擦副數(shù)量；Rc為離合器當(dāng)量摩擦半徑。

圖3 離合器接合過程Fig.3 Clutch engage process during staring

2.2 換擋規(guī)律的制定

換擋規(guī)律是ECU根據(jù)換擋參數(shù)分析車輛當(dāng)前運行狀況并判斷車輛應(yīng)處狀態(tài)的依據(jù)，是智能換擋控制系統(tǒng)的核心。自動換擋可以使車輛根據(jù)負(fù)載的變化輸出相應(yīng)的功率，使車輛始終處于最佳狀態(tài)。本文在保證最佳動力性的前提下同時考慮經(jīng)濟性制定2擋變速器換擋規(guī)律，如圖4所示。

圖4 兩參數(shù)換擋規(guī)律Fig.4 Two parameters shifting regular of two gear energy bus

2.3 離合器執(zhí)行機構(gòu)

離合器液壓控制系統(tǒng)采用高速開關(guān)閥完成對離合器液壓缸充油壓力的控制[7]。執(zhí)行機構(gòu)模型如圖5所示。由整車控制器輸出的換擋信號，經(jīng)過三位三通電磁閥轉(zhuǎn)換為A通道的壓力信號，輸出到帶有回位彈簧的活塞機構(gòu)當(dāng)中，經(jīng)過活塞機構(gòu)轉(zhuǎn)換為力信號。壓力與力的關(guān)系如下：

(6)

式中：P為電磁閥輸入活塞機構(gòu)的壓力；Ap為活塞機構(gòu)的活塞面積；F為活塞所受到的力。

圖5 離合器換擋執(zhí)行器Fig.5 Clutch actuator model

基于上述分析，在AMESIM中建立整車仿真模型，在Matlab/Simulink中建立換擋控制器模型，其聯(lián)合仿真模型如圖6所示。

圖6 電動中型客車聯(lián)合仿真模型Fig.6 Electric mid-bus combination simulation model

3 車輛性能評價指標(biāo)

1) 電機功率一定時，可以用功率利用率作為衡量車輛動力性的綜合性指標(biāo)。功率利用率越高，車輛動力性能越好。電機功率一定時，車輛的理想驅(qū)動功率為：

(7)

式中：Pr為理想驅(qū)動功率；Fr為最大驅(qū)動力；Pmax為電機最大功率。

車輛的實際驅(qū)動功率為:

(8)

式中：Ps為車輛實際驅(qū)動功率；Fs為車輪上的驅(qū)動力。

功率利用率λr定義為：

(9)

2) 使用相同條件下的電池SOC消耗評價整車經(jīng)濟性,通常用DOD表示電池消耗的電量：

DOD= 1-SOC

(10)

3) 沖擊度用于評價換擋過程的平穩(wěn)程度，指車輛縱向加速度的變化率。車身加速度變化率越小，沖擊度的峰值就越小，乘員的感覺越舒適[11-12]。其數(shù)學(xué)表達式為：

(11)

式中：a為車輛縱向加速度；v為車速。

4 基于遺傳算法的起步參數(shù)優(yōu)化

遺傳算法是一種全局尋優(yōu)算法，利用目標(biāo)函數(shù)在概率準(zhǔn)則引導(dǎo)下進行全局自適應(yīng)自動搜索，其尋優(yōu)效率高、魯棒性強、適用性廣。因此，本文采用遺傳算法優(yōu)化方法對變速機構(gòu)傳動比進行優(yōu)化，得到使整車性能最優(yōu)的傳動比。

將傳動系參數(shù)優(yōu)化模型設(shè)計變量選為

(12)

由本文1.3節(jié)設(shè)置1擋傳動比的上下限ig1H，ig2L分別為7.4和3.6，2擋傳動比的上下限ig2H，ig2L分別為2.8和1.2。

為了綜合考慮動力性、經(jīng)濟性與換擋沖擊度，定義：

(13)

式中：g為整車綜合性能系數(shù);λi為動力性、經(jīng)濟性指標(biāo)和沖擊度指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，i=1，2，3。

下面以車輛綜合品質(zhì)評價指標(biāo)g為目標(biāo)函數(shù)與適應(yīng)函數(shù)，以兩擋變速器的傳動比ig1,ig2為優(yōu)化目標(biāo)，利用遺傳算法進行參數(shù)的優(yōu)化。

種群規(guī)模設(shè)置為100，最大遺傳代數(shù)設(shè)置為20，交叉概率設(shè)為0.8，變異概率設(shè)為10%，變異幅值為0.1。綜合考慮整車動力性、經(jīng)濟性與換擋沖擊度，設(shè)置權(quán)重系數(shù)λ1=λ2=0.3,λ3=0.4，優(yōu)化后結(jié)果顯示如圖7、8所示。

圖7 1擋傳動比優(yōu)化結(jié)果Fig.7 Optimize result of Frist gear

圖8 2擋傳動比優(yōu)化結(jié)果Fig.8 Optimize result of second gear

可以看出：在優(yōu)化求解過程的最初階段，其解的波動較大，隨后逐漸收斂于1個最優(yōu)解。最終求得1擋傳動比的最優(yōu)解為6.5，2擋傳動比的最優(yōu)解為2.15。

5 聯(lián)合仿真驗證

將優(yōu)化前與優(yōu)化后的傳動系參數(shù)分別代入上述AMESIM與Matlab/Simulink模型并進行聯(lián)合仿真。設(shè)置NEDC為循環(huán)工況，仿真時間為1 180 s，仿真步長為可變。

優(yōu)化前后的NEDC循環(huán)工況車速如圖9所示。在NEDC循環(huán)要求下，前4個低速循環(huán)工況時優(yōu)化前后的兩種方案都可以使車輛很好地完成跟隨，但是在市郊循環(huán)工況下，此時車速要求較高，電機無法提供足夠的動力使其達到要求的最高車速，但是可以看出，優(yōu)化后最高車速由優(yōu)化前的110 km/h提高到112 km/h。

圖9 NEDC循環(huán)工況對比Fig.9 The comparation under NEDC cycle

車輛的能量消耗可用電池的DOD表示，如圖10所示?？梢?，優(yōu)化前電池容量指標(biāo)DOD上升了4.68%，同樣NEDC循環(huán)下，優(yōu)化后電池DOD上升了4.57%。在相同的工況下，優(yōu)化后比優(yōu)化前所消耗的電池電量降低了0.11%。根據(jù)單循環(huán)DOD和單循環(huán)車輛行駛里程，可以計算出優(yōu)化后車輛在NEDC循環(huán)工況下的續(xù)駛里程為100/4.57×10.96=239.8 km，較未優(yōu)化時續(xù)駛里程增加了5.8 km。

對優(yōu)化前后的整車參數(shù)進行加速時間仿真，仿真時間設(shè)為60 s，在全油門開度情況下加速度曲線如圖11所示?？梢钥闯觯簝?yōu)化后整車低速工況下加速度性能明顯改善，0～50 km/h的加速時間為11.4 s,較優(yōu)化前的13.9 s提高了2.5 s。在高速工況下，其加速性能有一定程度的提升但是并不明顯。0～100 km/h的加速時間由優(yōu)化前的38.9 s提升至優(yōu)化后的36.24 s,優(yōu)化后較優(yōu)化前提高了2.66 s。

圖10 單NEDC循環(huán)工況下DODFig.10 Battery DOD under NEDC cycle

圖11 加速度曲線Fig.11 Vehicle acceleration curve

加速過程中，車輛從1擋升入2擋過程中，離合器傳遞的瞬時轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速曲線如圖12。可以看出：換擋過程中電機轉(zhuǎn)速變優(yōu)化后1擋情況下的電機轉(zhuǎn)速上升更快，使汽車車速更快地達到相應(yīng)工況下的換擋車速，提高車輛的起步加速性能。同時，相比優(yōu)化前電機工作范圍小，優(yōu)化后的傳動系能更加充分地發(fā)揮電機的性能，使電機在更大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作。

換擋過程所產(chǎn)生的沖擊度如圖13所示。

可見，優(yōu)化后換擋沖擊度變大，增加為10.5 m/s3，這主要是由于優(yōu)化前后1擋與2擋兩擋位間傳動比變化增加，從而增加了換擋前后轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化，引起沖擊度的增加。優(yōu)化后的換擋沖擊度仍然滿足設(shè)計要求。

圖12 電機轉(zhuǎn)速Fig.12 The comparison of motor speed

圖13 換擋過程沖擊度變化Fig.13 simulation result of jerk

5 結(jié)論

1) 優(yōu)化后，單NEDC循環(huán)下，整車能量經(jīng)濟性有所改善。

2) 優(yōu)化后，低速工況的加速性能明顯改善，0～50 km/h的加速時間較優(yōu)化前明顯縮短，高速工況下的加速性能變化不大，車輛最高車速有所提高，總體動力性能有所改善。

3) 隨著相鄰擋位傳動比間隔的增加，優(yōu)化后，沖擊度較優(yōu)化前有所增加，總體符合相關(guān)要求。

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(責(zé)任編輯 楊黎麗)

Research on the Driveline System of Electric Bus Based on AMESim

TIAN Jin-yue, WANG Chen-yang

(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212000, China)

Regarding a certain type of mid-electric bus as the research object, the driveline system characteristics has been studied after it installed the transmission in this paper. On the basis of analysis and establishment of the math model of the bus, a simulation model of vehicle and a vehicle control unit have been established by AMESim and Matlab/Simulink. The driveline system has been simulated on NEDC and acceleration conditions. And the paper also makes an analysis of the influents on vehicle’s dynamic, economic and jerk performances caused by transmission’s parameters. Then by using the genetic algorithm, the gear radios are optimized, to improve the vehicle’s dynamic and economic performance without sacrificing jerk performance.

electric bus; driveline; AMESim; Simulink

2016-03-22

田晉躍(1958—)，男，教授，主要從事傳動與液壓方向研究，E-mail：tianjinyue@ujs.edu.cn；通訊作者 王晨陽(1990—)，男，碩士研究生，主要從事傳動與液壓方向研究，E-mail：luotuomeigui@163.com。

田晉躍，王晨陽.基于AMESim的電動客車傳動系分析與研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(1):8-14.

format：TIAN Jin-yue, WANG Chen-yang.Research on the Driveline System of Electric Bus Based on AMESim[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(1):8-14.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.01.002

U271

A

1674-8425(2017)01-0008-07