增程式电动校车动力传动系统匹配设计

刘晓宇，张　强，张　旭（遵义师范学院工学院，贵州遵义563002）



增程式电动校车动力传动系统匹配设计

刘晓宇，张强，张旭
（遵义师范学院工学院，贵州遵义563002）

摘要：针对校车的行驶特点，采用与北京城市公交工况类似的德国纽伦堡循环工况下的整车能耗量作为经济性评价指标，通过加权原地起步加速时间作为动力性评价指标来评价动力传动系统的匹配。在Simulink里用仿真模型代替传统燃油经济性目标函数的繁琐编程，采用多目标优化遗传算法NSGA-II，利用ISIGHT与MATLAB/Simulink联合仿真，对增程式电动校车的传动比进行动力性和经济性的双目标优化。通过与车辆初始设计传动比相比较，结果表明，优化后的传动比，能够有效提高车辆的动力性和经济性。

关键词：电动校车；传动比匹配优化；NAGA-II；仿真

在汽车传统的动力传动系统参数匹配设计中，设计人员往往是首先通过定性分析，然后进行简单的定量计算，比较以前积累的大量实验数据，并对反复测试的实验结果进行分析后，最终确定设计方案，这种通过测功机台架实验和道路试验测定汽车动力性指标和经济性指标的方法，被称为试验法。该方法设计周期较长、成本高，在产品最初的设计阶段就有很大的盲目性，有可能使较优的方案在最初阶段就被漏掉，从而使设计的汽车整体性能达不到最优［1］。

随着计算机技术的飞速发展，采用计算机模拟计算方法可以有效地对汽车的动力性和经济性进行计算分析。计算机模拟计算法通过输入电动机以及相关的各项参数，模拟汽车在各种工况下的行驶过程，并计算各种循环工况下的整车能耗和动力性指标。因此，在进行汽车动力传动系匹配设计时，可以应用计算机模拟计算方法，在仿真软件里建立传动系和整车模型，并且选用合适的优化算法求出最佳的传动系参数，使整车动力性和经济性最优。

1整车参数及设计要求

增程式电动校车基本参数及设计要求如表1所示。

表1增程式电动校车主要技术参数

2驱动电机参数匹配设计

对于电动汽车的驱动电机，需要确定的参数主要有：额定功率、峰值功率、额定转速和最高转速。

2.1驱动电机额定功率

2.2驱动电机峰值功率

驱动电机在峰值功率下可以稳定运行一段时间，以满足汽车最大爬坡度和加速性能的要求。

（1）汽车在加速的末尾时刻，其电动机的输出功率最大，所以加速过程的最大需求功率为：

（2）汽车爬最大坡度时速度较低，忽略空气阻力的影响，汽车最大爬坡度时的需求功率为：

2.3驱动电机的额定转速和最高转速

电动机的最高转速对电动机的制造工艺、制造成本和传动系尺寸有很大影响。转速在以上的为高速电机，以下的为普通电机。高速电机制造成本高，制造工艺复杂，对其配件有特殊要求，需要配套的轴承和齿轮等，一般适用于电动轿车，很少在客车上使用［5，6］。因此，本文研究的增程式电动校车应选择转速以下的普通电机。

2.4驱动电机匹配结果

根据项目要求的性能指标，按照上述的匹配原则和步骤，对驱动电机进行匹配及选型，具体参数如表2所示。

表2驱动电机参数

3动力电池参数匹配设计

增程式电动校车大部分工况下采用纯电池能量驱动车辆行驶，因此动力电池必须满足车辆所有行驶工况要求。综合考虑各种电池的性能，选用锰酸锂电池，单体电池的标称电压为3.7，额定容量35。

增程式电动汽车电池组的容量必须满足纯电续驶里程要求，电池组容量为：

4传动比约束条件的建立

4.1最小传动比约束

最小传动比约束主要从最高车速和最高挡动力因素两方面体现［7］。

（1）最高车速约束。

（2）最高挡动力因素约束。

4.2最大传动比约束

最大传动比约束主要从最大爬坡度和地面附着力两方面体现。

（1）最大爬坡度约束。

（2）地面附着力约束。

5传动比优化仿真模型建立

电动汽车变速箱的传动比对整车动力性和经济性有很大影响，当电动汽车的电机和蓄电池选定后，变速箱的变比就直接决定了整车的性能，因此，选择合适的传动比就显得尤为重要，必须对变速箱传动比进行优化。本文将建立在确定循环工况下的整车能耗模型以及原地起步加速时间仿真模型上，采用多目标优化遗传算法与联合仿真，对变速箱传动比进行优化。

5.1整车能耗仿真模型

在变速箱传动比优化过程中，以整个循环工况下的整车能耗作为评价指标。根据循环工况给定的车速，通过汽车功率平衡方程，计算电机的需求功率，最后，对整个循环工况下的电机功率进行时间积分，即为整个循环工况下的整车能耗。图1是整车能耗模型，该模型包括循环工况车速、驾驶员、电机、变速器和车体五个子模型。

图1整车能耗仿真模型

5.2原地起步加速时间仿真模型

汽车原地起步加速时间是汽车的一个动力性指标，加速时间的长短表明汽车的加速能力。假设汽车在平坦的路面上加速，根据汽车行驶动力学方程建立的汽车原地起步加速时间仿真模型如图2所示。

图2原地起步加速时间仿真模型

图3 ISIGHT与MATLAB的优化模型

6传动比动力性和经济性双目标的优化仿真

由于该项目针对的是校车项目，主要应用于城市公共交通，因此，采用与北京城市公交工况类似的德国纽伦堡工况对整车能耗进行仿真，纽伦堡工况如图4所示。

图4纽伦堡工况

图5 整车能耗W的优化历史路线

图6加速时间T的优化历史路线

图7为仿真计算结果的一部分，图8为仿真计算的EDM图，该仿真优化总共进行了241步运算。

由仿真计算所得最优结果为：低挡总传动比1=20.53，高挡总传动比2=9.16，整个循环工况能耗为加速时间为18.29（没有考虑换挡时间）。满足车辆动力性设计要求。车辆初始设计的传动比低挡为1=22.75，高挡为2=6.5，代入仿真模型进行仿真，整个循环工况能耗为5.020～5加速时间为21.64（没有考虑换挡时间）。可以看出，优化后的传动比，能够有效提高车辆的动力性和经济性。

图7优化结果

图8 EDM图

7结论

电动汽车变速箱的传动比对整车动力性和经济性有很大影响。本文以增程式电动校车为例，对其传动系统进行了参数匹配。在选定电机参数后，用仿真模型代替传统经济性目标函数的繁琐编程，利用联合仿真对变送器传动比进行匹配优化。提供了一种无论确定的循环工况多么复杂，都能用仿真计算的方法进行该工况下变速器传动比的动力性和经济性的多目标匹配优化，有效提高了车辆的动力性和经济性。

参考文献：

［1］朱朋.汽车动力传动系统优化匹配研究［D］.北京:北京理工大学，2007.

［2］舒红，秦大同，杨为.混合动力汽车动力传动系参数设计［J］.农业机械学报，2002，33（1）:19-22.

［3］王庆年，何洪文，李幼德，等.并联混合动力汽车传动系参数匹配［J］.吉林工业大学学报，2000，30（1）:72-75.

［4］威鲁麦特德.车辆动力学模拟及其方法［M］.北京:北京理工大学出版社，1998.90-101.

［5］初亮.混合动力总成的控制算法和参数匹配研究［D］.长春:吉林大学，2002.

［6］王珏童.纯电动客车动力传动系参数匹配及整车性能研究［D］.长春:吉林大学，2008.

［7］罗韬.基于一体化的动力传动系统设计研究［D］.北京:北京理工大学，2006.

（责任编辑：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

中图分类号：U469.72

文献标识码：A

文章编号：1009-3583（2016）-0115-04

收稿日期：2015-09-11

作者简介：刘晓宇，男，贵州遵义人，遵义师范学院工学院助教，硕士。研究方向：电动汽车传动系统。