基于CRUISE的微型低速电动车主减速比研究

毛成华

摘 要：本文以某企业生产的微型低速电动车电驱动系统作为研究对象，按照产业标准及设计指标对电驱动系统关键部件进行参数匹配设计，利用CRUISE仿真软件分析了动力性及经济性;并运用ISIGHT与CRUISE联合仿真技术求解出该车型最佳减速比。通过样车实验表明，该方法求解微型低速电动车最佳主减速比准确可靠、效率高，可用于优化动力性与经济性。

关键词：微型低速电动车 电驱动系统 CRUISE仿真

Research on the Main Reduction Ratio of Mini Low-speed Electric Vehicle Based on CRUISE

Mao Chenghua

Abstract：This paper takes the electric drive system of a miniature low-speed electric vehicle produced by a certain enterprise as the research object. According to industry standards and design indicators， the key components of the electric drive system are parameter-matched and designed， and the power and economy are analyzed using CRUISE simulation software. The joint simulation technology of ISIGHT and CRUISE solved the optimal reduction ratio of the vehicle. Experiments on prototype vehicles show that this method is accurate， reliable， and efficient in solving the optimal final drive ratio of miniature low-speed electric vehicles， and can be used to optimize power and economy.

Key words：micro low-speed electric vehicle， electric drive system， CRUISE simulation

隨着新能源汽车市场的持续发展及消费者观念的转变，微型低速电动车保有量及产量逐年升高;相较于国家新能源补贴目录中的纯电动车，微型低速电动车具有价格低、结构小巧、能耗低、充电方便、行驶速度慢、对驾驶技术要求低等优点，可用于解决离家半径20公里内的短途出行、老年人出行代步、内部封闭道路巡逻、城市共享电动车等问题[1]。因此，在当前锂电池技术逐渐普及、电机管控策略持续升级的背景下，通过研究新技术提升微型低速电动车使用性能，具有理论和实际意义。

1 电驱动系统选配

国内的消费市场上销售的微型低速电动车通常采用铅酸胶体免维护电池加交流异步电动机配置[2]，通过研究国内外微型低速电动车电驱动系统布置形式、动力电池及电机类型，某企业生产的微型低速电动车进行设计研发时，底盘结构类型采用电机横置式电驱动后桥，能量来源采用了能量密度大、循环使用寿命长的锂离子电池，驱动电机采用体积小、效率高的永磁同步电机。通过建立该车型电驱动系统的动力学方程，按照行业标准及设计指标，得到电驱动系统关键部件的参数，如表1所示。

2 模型建立及仿真任务设定

CRUISE仿真软件主要用于复杂车辆传动系统的仿真分析，在车辆设计研发过程中对基本性能进行正向或逆向仿真，通过对仿真结果的研究和分析，可对整车燃油经济性及动力性进行改善[3]。利用CRUISE软件对该微型电动车选配的电驱动系统参数进行建模，需要设定的动力性能仿真任务包括：全负荷加速性能、爬坡性能。经济性能仿真任务包括：等速续驶里程及典型道路行驶工况续驶里程，其中典型道路行驶工况采用我国工业和信息化部、全国汽车标准化技术委员会于2020年5月1日正式实施的《GB/T 381746.1-2019 中国汽车行驶工况第1部分：轻型汽车》进行仿真模拟。CLTC-P道路循环工况分为低速、中速和高速3个速度测试区间，分别对应车辆在市区、市郊及高速公路的行驶状况。由于微型低速电动车最高车速按照行业标准不能超过70km/h，达不到CLTC-P工况的高速区要求，因此，主要通过CLTC-P工况的低速、中速两个区间进行测试。见表2。

3 主减速比优化

通过对该电动车模型仿真分析，经济性及动力性指标存在可优化空间。影响性能的主要因素包括：主减速器减速比，电机功率、扭矩和最大转速，锂电池性能、控制器策略，整车质量等。在设计电动车电驱动系统时，经济性与动力性互相制约，需要找到最优的平衡点。在对该微型低速电动车电驱动系统优化时，一方面，由于最高速度必须限制在70km/h以内，使用特性通常是用于老年人出行代步或作为城市共享汽车，过高的加速性能反而可能会导致驾驶员驾驶汽车的道路安全问题;另一方面，若对结构方面的优化改进，以获得整车性能的提升，例如整车的轻量化研究、驱动电机功率提升等，又会造成研发制造的成本增加，降低产品市场竞争力[4]。由于该车型无变速器，电驱动系统中采用双级主减速器，减速比对动力性指标影响较大。因此，在建立该电动车驱动系统数学模型时，选择主减速器减速比作为优化变量，如式1所示：

式中：为主减速减速比

选择最大爬坡度及CLTC-P低速区锂电池100%～10%放电量的续驶里程作为优化目标，如式2所示：

式中：F（X）为多目标函数;Fc（X）为最大爬坡度;Fs（X）为CLTC-P低速区100%～10%放电量的续驶里程。

为满足整车动力性及经济性的设计指标要求，各参数应满足以下约束条件：

最高车速不超过60km/h，如式3所示：

式中：Vmax为设计要求最高车速，应不超过60km/h，V为优化后的最高车速。

最大爬坡度满足不低于20%，如式4所示;

式中：imin為设计要求最小爬坡度，应不小于20%，i为优化后的最大爬坡度。

0～42km/h加速时间满足小于15s，如式5所示;

式中：tmax为设计要求0～42km/h加速时间最大时间，应不大于15s，t为优化后的0～42km/h加速时间最大时间。

等速42km/h续驶里程超过100km，如式6所示;

式中：Smin为设计等速42km/h续航最小里程，应不小于100km，S为优化后等速42km/h续航最小里程。

主减速器减速比满足要求：9.1

式中：imin为设计最小减速比，imax为设计最大减速比，i0为优化后的减速比。

利用NSGA-Ⅱ遗传算法通过CRUISE及ISIGHT软件进行联合仿真，寻找到的主减速器最佳减速比为10.56，在CRUISE软件中，以该减速比仿真可获得最佳的动力性及经济性。

4 生产试验验证

利用研究确定的电驱动系统结构方案进行样车试制，在电驱动桥加工制造时，结合实际生产工艺，对设计主减速器减速比进行取整，其值取10.5，取整结果在主减速器减速比设计可行域中，并且与设计参数误差较小，满足设计指标。按照行业标准《T/TBPS 1001—2016微型电动车技术条件》规定，对试制车进行动力性、经济性试验，以验证设计方案的可行性。

将优化后的仿真结果与试制车试验结果对比如表3所示。

通过表3，试制车性能试验值与仿真优化后结果基本一致，电驱动系统满足设计指标要求，ISIGHT与CRUISE联合仿真优化主减速器减速比方法可行，数据对后续指导该电动车批量生产制造具有一定价值。

5 结论

（1）采用输出电压72V，电池容量100AH磷酸铁锂电池总成;额定功率6 kw，最大功率12kw的永磁同步电动机;及带两级减速主减速器，减速比为10.5的电机横置式电驱动后桥，整车动力性及经济性满足电动车设计指标及行业标准规定。

（2）CRUISE软件进行整车动力性及经济性仿真分析准确、高效，该技术可提升电驱动系统关键零部件参数设计效率;

（3）电驱动系统数学模型可采用多目标问题优化方法进行求解，通过ISIGHT软件与CRUISE联合仿真技术，得到的最佳减速比10.56具有实用价值。

通过微型低速电动车试制，并按照行业标准对试制车辆进行动力性、经济性试验，试验数据与设计指标相符，说明在开发同类车型电驱动系统采用本方法，数据准确、效率高，能够满足企业同类车型的开发。

参考文献：

[1]薛凯，汤历漫.微型电动汽车消费者购买意愿调查分析[J].汽车工业研究，2015，61-63.

[2]唐宇寰，曹卉，何健康，等.中国市场电动微型车发展方向调研[J].北京汽车，2012，5-8，30.

[3]牛明强，郭兴众，孙驷洲，等.基于CRUISE的纯电动汽车动力系统参数匹配与仿真[J].安徽工程大学学报，2014，49-53.

[4]刘宗巍，马雨晴，郝瀚，等.微型短途电动汽车产品电池类型选择的成本量化对比研究[J]. 汽车工程学报，2018，157-167.