基于正交試驗法的純電動賽車動力參數優化

陸強 鄭燕萍

摘 要：為保證續駛里程的前提下，提高純電動賽車的動力性能和比賽競爭力，確定賽車整車參數與動力性能目標，對電機、電池和主減速比等動力參數進行設計及匹配計算，通過CRUISE仿真軟件搭建整車模型，并建立75 m直線加速、最高車速與NEDC循環工況等任務，利用正交試驗法，采用三因素三水平對賽車電機的額定功率、額定轉速和傳動比進行優化組合，運用極差分析法對仿真結果計算分析，對優化后的動力參數進行仿真。優化仿真結果表明：與原設計方案相比，賽車的75 m直線加速時間為3.98 s，縮短了2.926%;最高車速達到164 km/h，提高了9.342%;最大續駛里程達到30.143 km，提高了0.685%。研究結果表明正交試驗法可以對賽車動力參數優化的研究提供一定參考。

關鍵詞：電動方程式賽車;動力系統;參數匹配;正交試驗

中圖分類號：U463.1 ? ?文獻標識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2021）03-0088-07

Abstract：In order to ensure the continuous driving range on the premise of improving the power performance and competition competitiveness of pure electric racing cars， the vehicle parameters and dynamic performance targets of the racing cars were determined， and the motor， battery， main reduction ratio and other dynamic parameters were designed and matched. The vehicle model was built by Cruise simulation software， and 75 m linear acceleration， top speed with the NEDC cycle conditions were established. Using the orthogonal experiment method， the three factors and three levels of car motor rated power， rated speed and transmission ratio was optimized combination. The range analysis method was used to calculate and analyze the simulation results， and the dynamic parameters after optimization were simulated. The simulation results showed that， compared with the original design scheme， the 75 m linear acceleration time of the race car was 3.98 s， which was shortened by 2.926%. The maximum speed reached 164 km/h， increased by 9.342%. The maximum driving range reached 30.143 km， increased of 0.685%. The research content of this paper shows that the orthogonal test method can provide a certain reference for the research on the optimization of dynamic parameters of racing cars.

Keywords：Electric formula car; power system; parameter matching; orthogonal test

0 引言

電動方程式賽車要求擁有良好的動力性能與經濟性能，能夠完成直線加速、8字環繞測試、高速避障測試和耐久測試等比賽項目[1]。

在符合賽事規則的情況下，針對賽車的動力系統進行優化，可以提高賽車在比賽中的競爭力。趙晟超等[2]利用Optimum Lap搭建賽道模型，對賽車傳動比進行優化，用CRUISE軟件驗證賽車經濟性提高;仝志輝等[3]采用雙電機布置形式，建立電動方程式賽車模型及循環工況，使用CRUISE軟件對電動方程式賽車進行動力性、經濟性工況仿真分析;佟剛等[4]通過對ADVISOR軟件進行二次開發，將前輪驅動模型改為后輪驅動模型，并運用ADVISOR仿真軟件對電動賽車的動力系統以及續駛里程進行仿真分析;Prochazka等[5]根據電機轉矩與速度、功率與速度的關系優化傳動比，提高電機效率。但這些文獻主要是針對賽車的動力電池與傳動比進行研究，而動力傳動系統參數是純電動賽車的關鍵參數[6]，沒有綜合考慮驅動電機的額定功率、額定轉速與傳動比對賽車動力性以及經濟性的影響。

本文在確定電動賽車動力系統選型與參數匹配基礎上，研究利用正交試驗法與CRUISE軟件針對驅動電機的額定功率、額定轉速與傳動比進行優化組合，實現賽車動力性能與經濟性能的優化。

1 電動方程式賽車動力裝置選型及參數匹配

目前，國內外賽車常用的驅動布置形式有單電機后輪驅動、雙電機后輪驅動、一體式電機驅動與四輪電機驅動等。由于單電機后輪驅動布置結構簡單緊湊、整車質量輕等優點，本文采用單電機后輪驅動。

1.1 賽車整車參數及動力性指標

純電動賽車動力參數匹配時，需要考慮部件之間的配合以及能夠滿足賽車的性能需求。賽車的動力性能指標決定了動力系統總成、整車動力性能及比賽成績。參考國內外賽車的設計方案和性能參數[7]，確定電動賽車的整車主要參數及動力性能指標，見表1。

2.3 確定優化組合方案

根據表6結果，最終確定的匹配方案為電機的額定功率為32 kW，額定轉速為3 000 r/min，主減速器傳動比為4.96。

將確定的優化組合輸入整車模型進行仿真，對比優化前后的仿真結果，75 m直線加速如圖2和圖3所示，最高車速如圖4和圖5示?？梢钥闯?，優化后賽車的動力性能有所改善，75 m直線加速時間比優化前提高了2.926%，其最高車速比優化前提高了9.342%，賽車的續駛里程也有一定的提高，相比之前提高了0.685%。優化前后評價指標對比見表7。

相比優化前，賽車最大加速度略有增大，前期以較大加速度行駛的時間段變長，后期加速度減小幅度變緩，賽車加速性能得到增強。優化前后的賽車性能均滿足設計目標，在額定轉速不變的情況下，額定功率的提高使峰值轉矩得到提高，這使賽車起步加速性能增強。賽車主減速器傳動比大小會影響整車的動力性能，傳動比過大，則最高車速變小，高速路段時間增加。傳動比過小，則加速度變小，加速性能下降。優化后，賽車的傳動比減小，最高車速提高了，但額定功率的增加使賽車加速性能沒有太大影響，賽車動力性能和經濟性能都有提高，使賽車的動力參數得到優化組合。

3 結論

本文首先依據純電動賽車的設計目標，對賽車的動力裝置參數進行匹配，在確定賽車的動力裝置參數后，通過正交試驗法將賽車的額定功率、額定轉速與主減速器傳動比進行正交試驗，得到優化的組合方案。試驗仿真結果表明：正交試驗法可以明顯改善賽車的性能，優化后賽車的75 m直線加速時間為3.98 s，最高車速達到164 km/h，最大續駛里程達到30.143 km。因此，將正交試驗法應用于賽車的動力裝置參數優化匹配方案，可以提高賽車動力性能和比賽時的競爭力。

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