两挡纯电动公交车传动系传动比优化

郭玉静，孙贵斌



两挡纯电动公交车传动系传动比优化

郭玉静，孙贵斌

（厦门理工学院，福建 厦门 361024）

文章主要以某型两挡纯电动公交车为研究对象，根据其整车参数设计的要求，对整车动力系统进行合理、有效的配置，通过其传动比的优化，使其整车动力性和经济性得到进一步提高。在动力性和经济性两个分目标函数下，利用ADVISOR软件建立纯电动公交车整车仿真模型，分别利用FMINCON函数和遗传算法两种优化算法，在MATLAB上进行编程。经优化前后仿真结果对比显示，遗传算法比FMINCON函数对整车优化结果更为有效。

纯电动公交车；ADVISOR仿真；遗传算法；优化

前言

伴随经济的快速发展，燃油汽车进入各家各户。由此带来一系列环境污染、能源短缺等问题，引发了人们对纯电动汽车的广泛关注。目前，纯电动汽车仍有众多关键技术问

题尚未得到解决，而在此之前，如何对纯电动汽车动力系统参数进行合理匹配及优化成为重点[1]。

本文主要以某型纯电动公交车经济性和动力性为目标，对电机和电池进行合理选择，利用ADVISOR平台进行整车动力性仿真。并采FMINCON

函数和遗传算法两种优化方法，对其传动系传动比进行优化。

1 电动汽车的整车参数和设计要求

目标车型定位于纯电动公交车，其整车基本参数和性能指标要求如表1所示。

2 电动汽车动力参数匹配

驱动电机作为纯电动汽车的动力源，直接影响车辆的整车性能。电机选取的主要参数包括：额定功率、峰值功率、峰值转矩和最高转速。

表1 整车基本参数和性能指标

如果电机额定功率过小，其将常处于过载状态。反之，额定功率过大，将常处于欠载状态[2]。

2.1 驱动电机峰值功率和额定功率的确定

电机总功率主要取决于最高车速、加速性能和最大爬坡性能[3]。

1）以汽车在平顺道路上，按照最高车速行驶来确定最大功率：

式中：max为最高行驶车速，km/h；t为传动系效率；m为整车质量，kg；f为滚动阻力系数；D为空气阻力系数；为迎风面积。

2）以汽车通过最大爬坡度来确定最大功率：

式中：max为汽车通过的最大爬坡度；i通过最大爬坡度时要求的车速。

3）根据汽车加速性能确定的最大功率：

式中：δ为汽车旋转质量换算系数。

所选取的电机最大功率应满足上述三项指标的最大值，即max=max(max1，max2，max3)根据峰值功率可以得到电机的额定功率，即

式中：e为电机额定功率，kw；为电机过载系数，一般取2~3。本文中取2。

2.2 驱动电机额定转速和最高转速的确定

驱动电机的最高转速应满足于车辆的最高车速：

式中：max为电机最高转速，r/min；0为主减速器传动比；i为变速器传动比，下脚标表示挡位；=1,2，此处为i2；max为车辆行驶最高车速，km/h。

由此可得驱动电机的额定转速：

式中：为电机扩大功率区系数，一般取2~4。

2.3 驱动电机的额定转矩和最高转矩的确定

1）电机的额定转矩可由额定功率和额定转速求得，即：

2）电机的最大转矩max应满足于车辆低速运行时通过最大爬坡度：

根据以上计算，选取各项参数均满足设计要求的永磁同步电机。其电机额定功率为80KW，峰值功率160KW，额定转矩350N·m，最高转矩800，额定转速2204r/min，最高转速7400r/min，工作电压540V。

2.4 动力电池的选型

动力电池的参数匹配主要包括电池类型，电池数目和电池容量。本文选取锂离子电池作为该纯电动公交车的动力电池[4]。

1）根据所选永磁同步电机的电压确定电池组电压。选取的单体电池额定电压为3.2v，电池串联数目为172。

2）根据纯电动公交车的续驶里程要求来确定电池组的总容量。

动力电池需要的总电量为：

式中：0为车辆以40km/h匀速行驶时所需要的功率；N为电池的放电深度，本文取0.8；N电机和电池控制器的工作效率，本文取0.9。

因此，电池组的容量为：

根据以上计算，最终选取电池容量为537Ah。单体电压3.2V，单体容量179Ah，采用3并172串的连接方式。

3 优化数学模型的建立

3.1 确定优化目标

通过对驱动系统的参数匹配，确定了电机和动力电池的基本参数。而传动系传动比的变化将成为影响整车动力性和经济性的最终因素。因此选取传动系传动比作为优化变量，传动系统的总传动比主要包括主减速器和变速器各挡的传动比。将要优化的设计变量取为：

3.2 优化目标函数的建立

3.2.1 动力分目标函数

汽车的动力性指标主要包括汽车的加速性能、最高车速和爬坡性能三个方面。其中可根据加速时间来建立动力性目标函数，加速时间越短，汽车的动力性越好[5]。由1挡和2挡下的加速度曲线的相交点确定对应的换挡速度，本文换挡速度为23km/h。

该目标函数可记为：

式中，0为换挡时间，本文取0.8s。max电机最大转矩，N。max为电机最大功率，KW。

3.2.2 经济分目标函数

汽车的经济性指标主要以续驶里程作为评价目标。根据试验测试的电机转速、转矩和电机效率等数据，可以得到电机效率与电机转速、转矩的函数关系式。其拟合表达式为：

式中：A—各项系数；s—模型的阶数，通过matlab曲面拟合工具箱中多项式拟合方法，可以选取适合的模型阶数，得到系数组A的数值，从而得到电机效率关于电机转速、转矩的函数关系式。

采用中国典型城市公交工况，对该纯电动汽车的匀速和匀加速两个工况分别进行能量消耗计算[6]。

建立以续驶里程为评价指标的经济分目标函数：

式中：E表示电池实际可用电量；表示一个循环内电动车的行驶距离。

该目标函数可记为：

3.2.3 进行多目标函数优化

本文将动力性与经济性两个分目标函数的优化问题，转化为单目标函数问题进行优化。同时兼顾电动汽车的经济性与动力性，进行加权后取和，得到新的优化目标函数：

式中：1为动力性加权因子；2为经济性加权因子。于城市公交车而言，在满足动力性基础上，其经济性更加重要。因此动力性加权因子取0.3，经济性加权因子取0.7。

3.3 建立约束条件

1）根据驱动电机的最高转速和最高车速，确定变速器2挡传动比的上限：

2）根据驱动电机的最高稳定车速和额定工况下最大输出转矩所对应的行驶阻力，确定变速器2挡传动比的下限：

3）根据驱动电机的最大爬坡度和最大输出转矩所对应的行驶阻力，确定1挡传动比下限：

4）在一挡驱动条件下，最大驱动力必须小于或等于地面对轮胎的附着力，由此来确定一挡传动比的上限：

式中：F为地面对驱动力的法向反作用力；为附着系数，取0.75。

5）相邻两挡的传动比比值过大时，将会造成换挡困难。一般认定比值不应大于1.8，取1挡和2挡传动比比值范围为：

3.4 优化算法

根据上文得出的目标函数和约束条件在MATLAB中分别用FMINCON函数和遗传算法进行编程。

得到两种优化方法下的传动系传动比，结果如表2所示。

表2 优化后的传动系传动比

4 整车模型的建立和仿真

4.1 整车模型的建立

利用ADVISOR软件，建立城市公交车整车模型，主要包括驱动电机、电池、主减速器、变速箱和车轮等模块[7]。

4.2 传动比优化前后仿真结果分析

1）在中国典型城市公交工况下，对车辆进行动力性仿真，并设置爬坡度以及加速度的计算任务。图3为该循环工况下车速的变化曲线。红色曲线为实际车速曲线，可以看出车辆能很好的跟随该循环工况[8]。

图1 车速随时间变化曲线

2）将不同传动比的优化方案分别进行仿真，得到不同方案下的动力性经济性仿真结果，如表3所示。

表3 仿真结果对比

从表中可以看出优化前电动公交的最高车速和最高爬坡度不符合指标要求，利用两种方法优化后，最高车速、爬坡度和续驶里程都得到了提高，但0-50km加速性能略微降低，仍符合加速性指标要求[9]。

5 结论

本文根据某两挡纯电动公交车设计需求，对其动力系统的主要配件进行匹配和设计，分别用FMINCON函数和遗传算法两种优化算法对传动系传动比进行优化，并在ADVISOR平台建立纯电动公交车整车模型，进行动力性和经济性仿真。仿真结果显示，遗传算法优化下的整车最高车速、爬坡度、0-50km加速时间和40km/h等速续驶里程均得到了优化，比FMINCON函数下的优化更符合设计需求。验证了利用遗传算法进行传动比优化是准确可行的，同时为车辆分析研究的人员提供了新的方法.

[1] 刘悦,刘若成.电动汽车发展现状研究[J].科学咨询,2014(10):12-14.

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[3] 尹安东,杨峰,江昊.基于iSIGHT的纯电动汽车动力系统匹配优化[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2013,36(1):1-5.

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[5] 纯电动汽车两挡AMT动力匹配及性能研究[D].郭文剑.湖南大学 2016.

[6] 基于ADVISOR的纯电动汽车动力系统匹配设计[J].孙建强,贠海涛,吕福麟,庄兴涛. 移动电源与车辆. 2013(02).

[7] 基于ADVISOR的纯电动汽车参数匹配及仿真[J].郭敏锐,高迎春.赤峰学院学报(自然科学版). 2016(09).

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[9] Study on the Parametric Optimization for a Parallel Hybrid Electric Vehicle Power Train. Liang Chu,Youde Li, Qingnian Wang. SAE Journal. 2000.

Optimization of transmission ratio of two-speed pure electric bus drive train

Guo Yujing, Sun Guibin

（Xiamen University of Technology, Fujian Xiamen 361024）

This paper mainly takes a certain type of two-speed pure electric bus as the research object. According to the requirements of the vehicle design, the vehicle power system is configured reasonably and effectively. Through the optimization of the transmission ratio, the vehicle's power and Economic efficiency has been further improved. Under the two objective functions of dynamic and economical, the simulation model of pure electric bus was built by ADVISOR software, and the two optimization algorithms of FMINCON function and genetic algorithm were used to program on MATLAB. The comparison of simulation results before and after optimization shows that the genetic algorithm is more effective than the FMINCON function for vehicle optimization results.

Pure electric bus; The ADVISOR simulation; Genetic algorithm; Optimization

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1671-7988(2018)22-04-04

U467

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1671-7988(2018)22-04-04

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郭玉静，厦门理工学院，研究生，研究方向：新能源汽车方向。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.002