基于我国典型城市工况的小型纯电动汽车传动系优化匹配研究

吴 晗，宋 凯，熊东箭

（湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082）

基于我国典型城市工况的小型纯电动汽车传动系优化匹配研究

吴 晗，宋 凯，熊东箭

（湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082）

为了快速评估选择更优的传动系统匹配方案，基于FCM聚类法及小波分析法构建代表我国典型城市道路的行驶工况，利用Cruise软件建立各传动系方案整车仿真模型。通过内置矩阵运算功能对模型参数进行组合计算，并插值拟合求出各方案最佳传动比。引入综合评价方程对各传动系匹配方案整车综合性能进行对比分析和定量评价，与国标工况进行对比。结果表明，构建我国典型城市工况是必要的，该方法能够快速有效地评估出综合性能更优的传动系统匹配方案。

纯电动汽车；行驶工况；插值拟合；对比分析

由于环境污染和能源问题日益加剧，新能源汽车的开发成为国内外学者研究的重点[1]。随着汽车技术的进步，研究人员发现传动系统参数的合理选择对提高整车动力性能、降低成本、提高续驶里程等起着重要作用[2]。

在电动汽车研究和开发过程中，合理的汽车仿真计算可以节省大量的试验成本，缩短设计开发周期，可以更好地设计汽车参数以及汽车各部分的布置形式，分析和预测各方案汽车的动力性、燃料经济性和排放性能，而且还可以运用优化方法，根据设计的性能指标和技术要求计算出最佳设计参数[3]。很多文献针对电动汽车传动系统进行了匹配设计研究，周胜等[4]对电动汽车二挡变速器进行传动比设计匹配并利用ADVISOR验证了匹配的正确性；朱曰莹等[5]以ECE城市循环工况为基础提出了一种基于循环工况的电动汽车传动系速比正交优化设计策略；张琼等[6]引入整车综合评价方程对各匹配方案计算结果进行快速有效的对比分析和定量评价，从而选出用户需要的最佳动力传动系统匹配方案。目前国内电动汽车油耗测试城市工况为欧洲ECE循环工况，该工况属于稳态工况，与我国实际城市工况有显著区别。我国城市人口密度大，城市道路汽车行驶工况复杂，汽车行驶工况的变化对汽车的能量消耗、污染物的排放、环境的保护等都有很大的影响，因此，姜平等[7-8]提出了结合FCM聚类法和小波分析的实际循环工况构建方法。本文以小型电动汽车为例，基于实际城市工况对其传动系统进行匹配研究，首先通过整车动力性需求确定传动系参数取值范围，然后利用AVLCruise分别对不同传动系布置方案进行建模仿真优化并确定最佳传动比，最后引入综合评价方程确定综合性能最佳的传动方案。

引用格式：

1 整车基本参数及性能要求

本文所建立的模型基于某小型纯电动汽车，其定位于城市代步车，动力性要求不高，再加上电动机有着良好的输出特性，所以通常采用两挡小型变速器或者固定挡变速器。一方面能够满足其动力性需求，另一方面也能节约成本，减轻整车质量，提高效率。本文对两种常用的传动系形式进行了对比分析，探究传动系统形式的选择方法。整车参数及指标见表1和表2。

表1 整车参数

满载质量m 2/k g 9 5 0轮胎半径（静态/动态）r/m m 2 3 2/2 4 7空气阻力系数C d 0.4 3迎风面积A/m 2 2.4 5滚动阻力系数f 0.0 1 1传动效率η/% 0.9 2

表2 设计要求

2 传动系速比初步设计

根据整车动力性能需求可以确定传动系速比的范围，电动汽车传动比上限由电动车最高转速和最高行驶速度确定：

式中：nmax为电动机最高转速，r/min；umax为最高行驶车速，km/h；r为轮胎滚动半径，m。

电动汽车传动比下限由最高车速行驶阻力、电动机最高转速的输出转矩、最大爬坡度行驶阻力和电动机的最大输出转矩共同来确定：

式中：Fmax1为最高车速行驶阻力，N；Tmax1为电机最高转速的输出转矩，Nm；Fmax2为最大爬坡度行驶阻力，N；Tmax2为电机最大输出转矩，Nm；ηt为传动系效率；αmax为最大爬坡角度；f为滚动阻力系数。

综上所述，传动比下限为：

通过计算，最终确定传动系速比范围为：i∈[4 . 40, 5. 49]。

3 建模仿真及对比分析

3.1 工况模块建立

根据GB 18386—2005，应选用欧洲典型市区循环工况ECE-15进行能耗分析，但是该工况在加减速、匀速运行阶段均属于稳态工况，与我国实际城市工况有着较大的差别。所以采用ECE-15工况进行电动汽车的能耗分析以及传动比匹配优化会存在较大的误差。因此，根据我国实际交通工况特点，选取长沙市典型路况作为代表工况进行数据采集，采用FCM聚类法对汽车实际行驶工况数据进行聚类分析，并用小波变换对工况数据进行压缩重构，构建出符合实际交通特点的行驶工况，为电动汽车传动系统的优化匹配提供更加准确的数据基础。

道路的选择应当能够综合反映该城市的整体交通状况，从众多城市道路中筛选出具有代表性的线路。充分考虑道路等级、车道数量、车流量等因素的影响，选取了长沙市五一路、芙蓉路、二环线等典型道路进行数据采集，包含主干道、次干道、支线和快速路，如图1所示。每条测试线路连续采样两周，包含日常、上下班高峰以及周末路况。驾驶员采用固定路线跟车法，跟随车流行驶进行数据采集。

图1 长沙市道路选取示意图

通过数据拟合压缩重构以及小波变化，最终得到持续总时间为1 200 s、平均速度为21.59 km/h、距离为7 195.2 m的长沙城市工况，如图2所示。将长沙城市工况与国外典型工况（欧洲ECE-15、美国FTP-75、日本J10-15）特征值进行对比，结果见表3。由表3可知，长沙市典型行驶工况介于ECE-15与FTP-75行驶工况之间。平均速度、加速比例和减速比例均高于ECE-15行驶工况，但低于FTP-75工况；匀速比例和怠速比例低于ECE-15行驶工况，但高于FTP-75工况；最大加速度比国外典型工况都大。这说明我国城市典型行驶工况与国外典型工况存在较大差异，相对国外工况加减速更激烈，因此，采用符合我国实际交通特点的行驶工况才能使电动汽车传动系统的优化匹配更加准确。

图2 长沙城市工况曲线

表3 长沙市合成行驶工况与国外主要行驶工况特征值对比

3.2 固定速比减速器方案建模仿真

对于电动汽车来说，搭载可变速比的齿轮变速器可以在低挡位得到较高的启动转矩，在高挡位得到较高的行驶车速，可以调节电机的转速区间，使电机更容易保持在高效工作区间。但是可变速比变速器增加了整车的质量和成本，降低了传动效率。而固定减速比减速器有着结构简单、质量小、成本低等优点，但是速比的单一不能更好地适应工况变化的需求，虽然电机具有良好的动力输出特性，能够搭配固定速比减速器，但是电机的运行效率会受到影响。总之，两种传动方案各有优劣。本文对两种方案进行对比分析，研究更适合城市小型电动汽车的传动方案。

电动汽车模型主要由电机模块、电池模块、轮胎模块等模块构成，利用AVLCruise建立整车仿真模型，如图3所示。将各模块放在合适的位置，完成各模块之间的机械连接与信号连接，最后添加所需的计算任务。

图3 固定速比方案整车模型

通过对固定速比减速器不同速比的分别仿真计算，得出不同速比下电动车的动力性、经济性表现，见表4。汽车传动比的选择是在保证动力性要求的基础上选择最优经济性方案，因此根据表4的仿真数据，绘制出不同速比下长沙市循环工况能耗点阵图并进行三次多项式插值拟合，如图4所示。结合Matlab中求解非线性多元函数最小值的fmincon函数可以求得该拟合曲线的能耗最小值，循环工况能耗在传动比i=4.4时出现最小值，再结合表4中的动力性数据，最终选择传动比i=4.4作为固定速比减速器最优传动比，此时整车循环工况能耗为0.521 kWh。

表4 固定速比方案电动汽车动力性、经济性仿真数据

图4 固定速比方案能耗拟合曲线

3.3 两挡AMT方案建模仿真

电动汽车电机的匹配不仅受动力性指标的影响，还要考虑传动系的布置方式，对于采用两挡变速器的电动汽车来说，其匹配的电机参数也略有不同。相对于固定速比减速器匹配的电机，两挡方案匹配的电机在满足相同最高车速时，可以适当降低对峰值转速的要求；在满足相同的加速时间时，可以适当降低电机的输出转矩。相对于固定挡减速器方案，经过重新匹配计算，整车质量增加了25 kg，电机峰值转速由6 000 r/min降低为5 000 r/min，峰值转矩由122 Nm降低为110 Nm。

对于两挡变速器，Ⅰ挡传动比决定汽车最大爬坡度及加速性能，Ⅱ挡传动比决定汽车的最高车速。将重新匹配的参数代入式（1）～（4）计算得到imin=7.16，imax=4.66。即两挡传动系统的Ⅰ挡总传动比i1≥7.16，Ⅱ挡总传动比i2≤4.66。

两挡AMT模型是在固定速比减速器模型的基础上增加两挡变速器、离合器及换挡控制模块建立的，其中换挡规律的设置关系到整车动力总成的性能发挥，对电动汽车动力性和经济性的影响比较明显。对于小型电动汽车来说，动力性要求不高，为了最大程度地延长电动汽车的续驶里程，本模型采用经济性换挡规律，以电机效率作为换挡依据，尽量保证使电机工作在高效区间。利用AVL Cruise建立整车仿真模型，如图5所示。

图5 两挡AMT方案整车模型

通过对多组传动比进行交叉循环能耗仿真，计算出各组传动比对应的循环工况能耗，见表5。将表5中的数据进行插值拟合，得到图6所示的能耗曲面。由图6可知，两挡AMT变速器在传动比i1= 7.5，i2= 4.0附近存在能耗最小区域，结合fmincon函数求得该拟合曲线的能耗最小值，在满足动力性要求的前提下选取传动比i1=8.22，i2=3.312时使循环工况能耗最低为0.662 79 kWh。对于传统汽车而言，变速器中相邻两挡传动比比值过大会造成换挡困难，一般认为比值不能超过1.8，但是对于电动汽车而言，电机相对于传统发动机有更加快速的响应特性，通过对电机的调速控制能够平稳地换挡[7]。

表5 两挡AMT方案电动汽车工况能耗 单位：kWh

图6 两挡AMT方案能耗拟合曲面

4 固定速比和两挡AMT方案性能对比分析

4.1 动力性能对比分析

4.1.1 最高车速对比

当整车的牵引力等于其所受总阻力时，汽车处于受力平衡状态。因此，汽车达到最大车速时，汽车的最大牵引力与所受总阻力相等。式（5）～（8）依次表示整车牵引力、滚动阻力、空气阻力和行驶方程。

式中：Ft为整车牵引力，N；T为电机转矩，Nm；i为总传动比；Ff为整车滚动阻力，N；α为道路坡度；Fw为整车空气阻力，N；u为车速，km/h。

根据式（8）绘制牵引力-行驶阻力曲线，如图7～8所示，两曲线的交点即为电动汽车最高车速，分别为127 km/h和134 km/h。

图7 固定挡方案牵引力-行驶阻力曲线

图8 两挡AMT方案牵引力-行驶阻力曲线

4.1.2 最大爬坡度对比

最大爬坡度表示车辆低速匀速行驶时的爬坡能力，此时动力因数D表示为：

爬坡度对比曲线如图9所示，最大爬坡度分别为24.56%和36.6%。

图9 爬坡度对比曲线

4.1.3 加速时间对比

两方案加速时间对比如图10所示，由图10可知，两挡方案整车起步加速能力优于固定挡方案，超车加速能力不如固定挡方案。固定挡方案加速时间见表4，两挡方案0-50 km/h加速时间为6.36 s，50-80 km/h加速时间为7.95 s。

4.2 经济性能对比分析

电动汽车在循环工况下的电池SOC变化曲线如图11所示。设置初始电池SOC为95%，随着运行时间的增加，两挡方案的电池电量消耗速度大于固定挡方案，说明两挡传动系方案相对于固定挡方案要消耗更多的能量。在一个循环工况结束时，固定挡方案电池SOC为88.84%，两挡AMT方案电池SOC为88.39%。

图10 加速时间对比曲线

图11 电池SOC对比曲线

一个循环工况的总路程为7 195.2 m，再结合循环工况消耗电量百分比，根据式（11）能够计算出电动汽车的续驶里程。固定挡方案续驶里程S1为116.81 km，两挡AMT方案续驶里程S2为108.85 km。

式中：S为续驶里程，km；L为循环工况总路程，km；W为完成一次循环工况剩余电量百分比。

表6 两方案仿真性能对比（我国城市典型工况）

两种方案仿真性能结果见表6，两种方案均满足设计要求。相对于固定挡传动方案，两挡AMT方案在动力性上表现更好，最高车速提高了4.72%，最大爬坡度提高了49.02%，0-50 km/h加速时间减少了32.77%，超车加速性能有所降低，50-80 km/h加速时间增加了23.23%。经济性能上，固定挡方案表现更好，相对于两挡AMT方案，续驶里程提高了7.31%。

在两种方案各自的最优传动比整车性能仿真结果中，动力性、经济性指标上各有高低。为了更加明确地权衡各性能指标之间的关系，本文引入了基于权重系数的车辆综合性能目标评价体系，总体评价公式如式（12）～（13）所示。式中：Ki为某方案综合评价指数；k1、k2分别为动力性、经济性权重系数；vi为某方案最高车速，km/h；v为设计最高车速，km/h；ii为某方案最大爬坡度；i为设计最大爬坡度；为某方案0-50 km/h加速时间，s；为设计0-50 km/h加速时间，s；为某方案50-80 km/h加速时间，s；为设计50-80 km/h加速时间，s；Si为某方案续驶里程，km；S为设计续驶里程，km。

将仿真参数、设计参数代入式（12）和式（13）得到综合评价指数Ki与经济性权重系数k2的函数关系，如图12所示。当经济性权重系数0.92＜k2＜1时，综合评价指数K2＜K1。说明当小型电动汽车传动系设计取向为纯经济性取向时，固定挡方案优于两挡AMT方案。但在绝大部分权重系数取值区间，都是两挡AMT方案优于固定挡方案。因此，对于整车性能来说，两挡AMT方案为更合理方案。

若传动方案对比匹配采用的是国家标准工况（欧洲ECE-15），而匹配方法相同，则两种方案整车性能仿真对比结果见表7。

对比表6和表7可以看出，采用我国典型城市工况和欧洲ECE-15工况所匹配的整车性能存在差异，尤其是在续驶里程上，采用欧洲ECE-15工况的续驶里程要明显大于采用我国典型城市工况的续驶里程。两种方案综合性能指数对比如图13所示。当经济性权重系数0.99＜k2＜1时，综合评价指数K2＜K1。由此可见，工况的选择对匹配结果有一定影响，因此，以我国典型城市工况作为仿真基础是非常有必要的。

图12 综合评价指数对比（我国典型城市工况）

表7 两方案仿真性能对比（欧洲ECE-15工况）

图13 综合评价指数对比（欧洲ECE-15工况）

5 结论

（1）结合FCM聚类法及小波分析压缩重构，构建针对小型电动汽车的我国典型城市道路行驶工况，使电动汽车循环工况能耗仿真结果更真实。

（2）根据整车动力性需求匹配传动系速比可行区间并利用CRUISE建立整车性能仿真模型，采用矩阵运算方式实现不同速比参数组合的快速仿真，大大缩减优化匹配周期。

（3）针对不同传动方案的不同速比，采用插值拟合的方法求得最经济速比，并引入整车综合性能评价体系，充分考虑各项性能参数及权重系数的影响，最终确定更加适合该小型电动汽车的传动系方案为两挡AMT方案。

（4）对我国典型城市工况与欧洲ECE-15工况匹配结果进行对比，证明构建我国典型城市工况是必要的。

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Research on Optimal Matching of Drivetrain for Small Pure Electric Vehicles Under Typical Urban Driving Conditions in China

WU Han，SONG Kai，XIONG Dongjian
（The State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Hunan University，Changsha 410082，China）

In order to quickly evaluate and select the optimal matching scheme of transmission system,based on the FCM clustering method and the wavelet analysis method, the paper proposed a vehicle model to simulate the driving conditions on typical urban roads in China, by using the Cruise software and the builtin functions of matrix operations. The comprehensive evaluation equation was introduced to evaluate the performances of different matching schemesof transmission system and the performance under the national standard working condition was compared as well. The results show that it was necessary to construct a model with typical urban driving conditions in China, which can select the matching scheme of transmission system with better performance quickly and effectively.

pure electric vehicle；driving cycle；interpolation fitting；comparative analysis

U469.72

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.05.10

2017-03-17 改稿日期：2017-05-04

吴晗，宋凯，熊东箭.基于我国典型城市工况的小型纯电动汽车传动系优化匹配研究 [J]. 汽车工程学报，2017，7(5)：382-390.

WU Han，SONG Kai，XIONG Dongjian. Research on Optimal Matching of Drivetrain for Small Pure Electric Vehicles under Typical Urban Driving Conditions in China[J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(5)：382-390. (in Chinese)

作者介绍

责任作者：吴晗（1991-），男，湖北荆门人。硕士研究生，主要研究方向为纯电动汽车动力传动系统匹配。

Tel：13467318099

E-mail：wuhan_88@sina.com

宋凯（1981-），男，河南郑州人。博士，助理教授，硕士生导师，主要研究方向为汽车车身新结构新材料优化设计及疲劳耐久预测。

Tel：18670000571

E-mail：song_kaivip@163.com