基于Cruise的EMT纯电动客车传动系统参数优化

田韶鹏，赵 爽

(1．武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070；2．武汉理工大学 汽车零部件技术湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430070)



基于Cruise的EMT纯电动客车传动系统参数优化

田韶鹏1,2，赵 爽1,2

(1．武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070；2．武汉理工大学 汽车零部件技术湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430070)

利用动力学仿真软件AVL Cruise对某纯电动客车进行动力学仿真来验证客车动力性。其所采用的EMT(电驱动机械式自动变速器)引入了调速电机，具有换挡快速和准确的优点。通过设定变速器和减速器速比的变化范围，用Isight软件优化耗电量，得出百公里电耗最低的传动比匹配方案。优化后百公里电耗减少了约5.27%，动力性能满足设计要求。

纯电动客车；Cruise；EMT；动力学仿真；Isight优化

随着化石燃料的日益枯竭，寻找新能源成为一股热浪正在袭来。对于汽车行业，国家大力支持新能源汽车的发展，不管是合资还是国产的汽车品牌都推出了各自的产品，如本田的IMA、丰田THS-Ⅱ、雪佛兰Voltec。大众也不甘示弱，其家族的新成员E-up已于2014年11月在国内上市，按照新欧洲行驶循环(NEDC)标准，大众E-up一次充电续航里程为150 km[1]。因此，为了满足武汉某新能源公司产品的相关要求，利用AVL公司的汽车仿真软件Cruise对其纯电动EMT大巴进行仿真，并采用Isight软件对传动系统进行优化，通过调整传动系统速比使得该车在保证动力性的前提下，百公里电耗尽可能低[2]。

1 Cruise仿真分析软件

AVL公司开发的Cruise是研究车辆动力性、燃油经济性、排放性能及制动性能等的高级仿真分析软件。Cruise的基本功能包括：①车辆基本性能的分析与评价；②车辆传动系统匹配及参数优化；③概念新车评价(如纯电动汽车、混合动力车、燃料电池车)；④先进动力传动系统的分析评价(换挡控制策略的生成及优化)；⑤车辆零部件子系统的分析评价；⑥复杂条件下的的车辆性能研究(从SiL到HiL)。

Cruise研究涵盖的车辆种类很多，包括传统车辆、混合动力及纯电动汽车、2轮及3轮摩托车、公交车、卡车、拖挂车和特种车辆等。图1所示为Cruise的运行界面。

图1 Cruise运行界面

2 EMT变速器原理

EMT变速器全称为电驱动机械式自动变速器(electric-drive mechanical transmission)。由于纯电动客车安装空间有限,采用无离合器的电机与变速器同轴直连方案，其结构如图2所示。利用电机快速、精确响应的特点,主动调节一轴(驱动电机输出轴)转速,使换挡时待啮合齿圈与啮合套同步,实现更精确、容量更大的同步效果,换挡更快、更平稳,动力中断时间更短[3]。

1—驱动电机;2—驱动电机转子;3—变速器一轴;4—EMT变速器;5—输出轴;6—中间轴图2 基于EMT的纯电动系统变速器结构图

3 车辆参数分析

3.1 车辆基本参数和设计要求

表1所示为车辆基本参数。表2所示为模型所用4挡EMT变速器各挡传动比。表3所示为该车型初始设计参数要求。

表1 车辆参数

表2 变速器传动比参数

表3 设计要求

电池采用国轩538 V的磷酸铁锂电池，电机为三相异步交流电动机，最高转速为3 000 r/min，电机效率如图3所示，电机效率80%以上为高效区。

图3 电机效率

3.2 动力参数验证

3.2.1 加速能力

该模型采用的是转速换挡模式，即换挡过程始终要保持电机工作在高效率区，加速过程同样如此，通过对比电机效率图确定电机转速1 000～2 400 r/min为高效区，各挡位对应的高效率区车速如表4所示。

表4 各挡高效区对应车速 km/h

取效率最高的车速来估算0～50 km/h加速时间,按式(1)计算：

(1)

式中：v1和v2为高效区内1挡和2挡效率最高的车速，取18.2 km/h和24.5 km/h；各挡扭矩取900 N·m；Ff和Fw为滚动阻力和空气阻力；Ft1、Ft2、Ft3和δ1、δ2、δ3分别为各挡下的驱动力和旋转质量换算系数，按式(2)[4]计算：

(2)

通过计算可得t约为20.9 s，加上0.5 s换挡时间约为21.4 s。

3.2.2 最高车速

车辆的最高车速定义为平坦路面上，在电动机全功率情况下，车辆所显示的恒定巡航车速。根据汽车理论中相关的公式[5]计算如下：

Vmax=0.377npmaxrd/igmin

(3)

其中，npmax和igmin分别为电动机的最大转速和传动系统的最小传动比。由已知参数知，电机最高转速为3 000 r/min，最小传动比为5.45，计算可得最高车速Vmax为107.5 km/h。

3.2.3 爬坡能力

爬坡能力通常定义为汽车在良好路面上克服摩擦阻力和滚动阻力后的余力全部用来克服坡度阻力时能爬上的坡度。

(4)

已知电机最大转矩为900 N·m，并取爬坡车速为5 km/h，ηT取0.95，按1挡最大传动比计算，由式(4)可算出α为11.2°，转化为爬坡度即约为19.8%。

3.2.4 续驶里程

续行里程表示电动汽车一次充满电(或储能)能够行驶的最大里程数。按式(5)[6]计算：

s=3 600EBηTηmcηDODηq/F

(5)

式中：EB为电池组总容量；ηT,ηmc,ηDOD,ηq分别为传动系统机械效率，电机效率，蓄电池放电深度和蓄电池平均放电效率；F为行驶阻力。经计算s=233.6 km。

4 仿真模型的建立和分析

4.1 系统建模仿真

传统纯电动汽车大多是电机直接驱动车辆，由于国内自动变速器发展较慢，因此在纯电动或者混合动力电动汽车上应用变速器的较少。但是随着EMT变速器的出现这种局面将逐渐被打破。EMT变速器结合了传统变速器结构简单、维修方便及性能可靠等优点，取消了同步环结构，简化了变速器结构。笔者所构建的模型如图4所示。模型以纯电动客车为载体，加入了EMT变速器，并采用转速换挡模式来模拟整车行驶的换挡过程。

图4 纯电动EMT客车模型

该模型建立了4个计算任务，如图5所示，分别为循环工况、0～50 km/h加速工况、定速巡航工况和爬坡工况[7]。

图5 计算任务图

(1) 循环工况所运行的工况为国内典型城市公交工况，采用满载计算模式，其数据如图6所示，仿真结果如图7所示。循环工况显示车辆的加速度与速度随着时间变化的曲线，虚线是车速，实线是加速度。实线上方表示加速过程，实线下方表示减速过程。

图6 典型国内城市公交工况

图7 循环工况车速变化图

(2) 加速工况同样采用满载模式计算和转速换挡模式，换挡过程变化如图8所示。

图8 换挡过程变化图

图9 加速工况仿真结果图

加速工况仿真结果如图9所示，从图9可看出，模型仿真结果显示车辆最高车速为107 km/h，与计算结果相差较小，说明该模型的加速任务的仿真结果较准确；同时模型中车辆在加速过程中加速度的变化较小与EMT变速器换挡规律比较吻合，说明模型采用转速换挡模式可以较好地仿真EMT变速箱的运行特性。

(3)爬坡工况所采用满载计算得出各挡的爬坡度仿真结果如图10所示。

图10 各挡爬坡车速与爬坡度关系图

1挡的爬坡度反映了整车最大的爬坡度，由图10可知，1挡爬坡度约为20.29%，比实际计算结果19.80%略有误差。

(4)巡航工况采用定速巡航模式计算续驶里程，仿真得到续驶里程为229 663.20 m。

4.2 仿真结果分析

计算结果与仿真结果，以及两者的误差如表5所示。

表5 计算结果与仿真结果对比

比较参数发现，结果满足设计要求，误差在允许范围内，其中加速时间的误差较大，主要原因有两点：①计算时选取的换挡车速不是最优换挡车速;②电机扭矩选取不准确。仿真得到的电耗为95.91 kW/h。

5 Isight优化

笔者采用Isight+Cruise优化的方式来求解百公里电耗最低的传动匹配方案。Isight中的多岛遗传算法(multi-island genetic algorithm，MIGA)本质上是对并行遗传算法(parallel distributed genetic algorithms，PDGAS)的改进，它具有比传统遗传算法更优良的全局求解能力和计算效率[8]。笔者优化即采用多岛优化。多岛遗传算法作为一种伪并行遗传算法可避免早熟和加快收敛速度,可以更好地在优化域中寻找全局最优解。优化计算次数N=(Sub-Population Size)×(Number of Island)×(Number of Generation)，优化模型和参数设置界面如图11所示。优化的原理是选取变量1挡i1、2挡i2、3挡i3和减速器速比g0，直接挡效率较高故不做优化。最大传动比取决于整车的最大爬坡度,最小速比取决于整车的最高车速[9]，通过计算得出i1>3.45,g0<7.32。再由电机高效区转速可确定g0>2.44，由附着条件确定i1<6.10，挡与挡之间传动比值一般介于1.7～1.8，变化范围如表6所示。

图11 优化模型和模型参数设置界面

表6 挡位变化范围表

设定约束条件:爬坡度最低为20%，0～50 km/h加速时间最高为25 s,优化目标为电耗最低。同样选取上述国内典型城市公交工况，计算6 000次后得出百公里电耗的寻优结果如图12所示。 其中带十字线的为最优点，查看Isight中的history找到最优点的传动比匹配方案，如图13所示。将其代入Cruise计算得出动力参数，与优化前进行比较，如表7所示。

图12 百公里耗电量寻优及爬坡度变化图

通过比较优化前和优化后的动力性能参数发现，加速时间基本没变，最高车速减小约2.8%，爬坡性能增加了1.3%，续驶里程增加了1.3%。优化的结果对最高车速影响较大，其原因主要是1挡传动比变化较大，但是仍然满足设计要求。优化后的百公里电耗为90.64 kW/h,电耗减少了5.27%。

图13 最优解传动比方案

表7 计算与优化结果对比

6 结论

Cruise是一款功能强大的仿真软件，利用Cruise建模不仅可以预估车辆的各项参数，还能实现不同类型车辆的仿真，Cruise主要用于车辆的前期开发，通过仿真模拟，可以避免较大的误差，节约大量的研发成本。利用Isight中的MIGA全局优化算法可以选取最经济的匹配方案，经过优化整车百公里耗电量减少了5.27%。

[1] 李忠东.大众推出第一款纯电动车“E-up!”[J].轻型汽车技术,2013(2):39-40.

[2] 詹樟松,杨正军,刘兴春.汽车动力传动系统参数优化设计和匹配研究[J].汽车技术,2007(3):17-20.

[3] 王凡.电驱动机械式自动变速系统(EMT)结构设计[D].武汉:武汉理工大学,2011.

[4] 李康,孙红,周辉,等.CA6127URE31纯电动城市客车性能计算[J].客车技术与研究,2011(2):42-44.

[5] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2009：6-8.

[6] 麻友良,严运兵.电动汽车概论[M].北京：机械工业出版社，2012:90-93.

[7] AVL . AVL Cruise 2010 User Guide[M]．[S.l.]:[s.n.],2010:91-116.

[8] 赖宇阳.Isight参数优化理论与实例详解[M].北京:北京航空航天大学出版社,2012:138-140.

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

TIAN Shaopeng:Prof.; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[编辑：王志全]

Optimization on Power Train Parameters of Pure Electric Bus with EMT Based on Cruise

TIANShaopeng,ZHAOShuang

AVL Cruise software was used to do dynamics simulation to verify the performance of power of a pure electric bus. A speed regulating motor was introduced in EMT (electric drive automatic mechanical transmission) of this bus. The EMT has the advantage of fast and accurate shifting. By changing the setting range of transmission and the reducer ratio, the ratio matching scheme was obtained using the Isight optimization software which makes the lowest power consumption per 100 km. After optimization the power consumption reduces by about 5.27% per 100 km. Dynamic performance meets the design requirements.

pure electric bus; Cruise; EMT; dynamics simulation; Isight optimization

2015-03-26.

田韶鹏(1974-)，男，河南南阳人，武汉理工大学汽车工程学院教授;博士.

国家科技部“863”重大科研基金资助项目(2011AA11A260).

2095-3852(2015)05-0552-05

A

TP391.9；U462.22

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.05.006