纯电动商用车的动力系统匹配研究

李泽田

（长安大学，陕西 西安 710064）

前言

目前，纯电动城市客车以其无污染、零排放的优越性能开始逐渐普及，但大多数依然不能充分利用电机的高效区导致驱动系统的工作效率和能源利用率较低[1]。随着技术的不断更新，相关领域学者注意到对传动系统参数进行合理选择可以改善整车的经济性和动力性能，很多技术文献也进行了相关阐述： Gao等采用遗传算法和自然语言处理理论对两档箱速比进行优化[2]；朱曰莹等提出了针对城市循环工况的传动系速比正交优化策略[3]。

本文综合考虑整车经济性能和动力性能，以城市客车为研究对象，基于西安市实际运行工况对其动力系统进行了匹配及多目标优化研究。通过分析纯电动汽车目前常见的结构形式，设计了4种动力总成方案，在cruise上搭建整车模型，通过与isight软件集合仿真优化了传动系统速比参数；最后依据西安市实际运行工况下的仿真对比结果。

1 整车参数及性能要求

1.1 整车参数

本文的车型是比亚迪k9客车，参数如表1所示：

表1 参考车型主要技术参数

1.2 整车性能指标

驱动系统的性能指标如表2所示：

表2 车辆性能设计指标

2 参数匹配及初值选定

2.1 驱动系统参数匹配

本文选取电机型号为永磁式同步电机，首先对电机的峰值及额定功率、转矩、转速进行匹配。其中电机的峰值功率以车辆动力性三个指标作为重要参考[4-6]。

表3 四种电机参数选型

2.2 初值选取

最小传动比满足整车最高车速要求，最大传动比满足整车最大爬坡度要求。计算可得四种车型速比范围与初选值如表4所示。

表4 四种车型速比范围与初选值

3 整车模型搭建

本文选择在cruise上搭建不同动力总成方案的整车模型，需要调用的模块包括整车模块、轮胎模块、制动器模块、主减速器模块、电机模块、电池模块、驾驶室模块、策略控制模块、常量模块、电器耗能元件模块等。根据不同方案选择对应的模块进行相应信号连接，得到直驱型纯电动客车、纯电动两档AMT客车、轮边电机驱动客车、双电机驱动客车模型，其中双电机cruise纯电动车模型如图1所示：

图1 双电机cruise纯电动车模型

本文设计的双电机总成方案为四轮驱动，两个电机分别为经济性电机与动力性电机。经济型电机驱动前轮，负责巡航行驶等一些对动力性要求较低的工况；动力型电机驱动后轮，负责对动力性要求较高的工况。控制策略思路为：当经济型电机满足行驶功率需求且其效率大于切换到双电机工作的效率相对值时，经济型单独工作，否则双电机工作。

4 多目标集合优化及仿真验证

为了提高汽车的动力性和经济性能，本文选用多岛遗传算法对传动系统的参数进行集合优化。优化变量如式（1）所示：

其中i1、i2是一、二挡的传动比，i0是主减速器的传动比。

4.1 建立目标函数和约束条件

本文针对电动客车，建立多目标函数优化模型。由于多目标函数的优化和评判过程较为复杂，为了综合考虑整车的动力性和燃油经济性，本文通过加权系数将综合性能目标函数转化为单目标函数进行求解：

其中F是目标函数，u1和u2是权重系数，这里取u1为0.4，u2为0.6。F1规，F2规为分目标函数要求限值。

经济性目标函数为单位里程电耗，如式（3）所示：

其中F2为单位里程能耗（kW·h/km）；W是循环工况能耗（kJ）；S为工况行驶里程（km）。

动力性目标函数为各工况下的最高爬坡度、起最高车速与其性能指标的比值之和。其表达式为：

式中F1为动力性目标函数；imax、vmax分别为各工况实际最大爬坡度、最高车速和加速时间；i、v分别为性能指标下的国标限值。

此外依据整车性能指标、汽车行驶安全要求及优化变量的取值范围建立约束条件如下：

车辆满载时0～50 km/h的加速时间要小于23 s：

（2）车辆在以20 km/h行驶时，最大爬坡度不小于20%：

（3）最高档行驶时，最高车速必须大于80 km/h：

（4）车辆单次充满电后，以40 km/h巡航行驶的续驶里程大于250 km：

（5）车辆正常行驶时，整车驱动力应小于地面附着力：

（6）具有变速箱的纯电动汽车，比值取1.2～1.7之间。

4.2 仿真验证

对于整车动力性能，主要观察汽车的爬坡能力。

图2 四种方案的爬坡度对比图

图3 四种方案的SOC对比图

图2所示为四种车型满载时在西安实际工况仿真条件下的爬坡能力对比。四种车型的爬坡性能：AMT型最优，其次是直驱型，然后是双电机型，最后是轮边电机型。

通过对比SOC曲线和平均电机效率，可以对四种车型的经济性进行评价。

由图3可以看出：四种车型的SOC曲线都呈下降趋势，效果为：下降的最慢的是双电机结构，其次是轮边电机结构。

从表5中可以看出四种车型在NEDC工况下的平均电机效率为：双电机型＞AMT型＞轮边电机型＞直驱型。

表5 四种车型的平均电机效率

5 结论

本文以比亚迪k9作为参考，设计了四种不同动力总成方案车型。根据仿真结果可以看出速比参数优化后的整车动力 性和经济性能均得到了改善，依据动力性和经济性仿真对比结果表明所设计的双电机方案车型最为经济理想，轮边电机车型次之，最后为直驱结构车型。