CN111723436A - 一种基于设定工况的新能源汽车动力系统效率优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于设定工况的新能源汽车动力系统效率优化方法，其是将整车参数与设定工况相结合,利用效率权重的分析方法，通过对动力系统组件的参数设计优化，使各组件的高效区间与效率权重较大的区间尽量重合，从而实现基于设定工况的动力系统综合效率最优。本发明通过组件的参数调整匹配，使得动力系统高效区间与设定工况需求区间高度吻合，有效的提高整车动力系统效率，有效的降低整车成本。

Description

一种基于设定工况的新能源汽车动力系统效率优化方法

技术领域

本发明涉及一种新能源汽车动力系统效率优化方法，尤其涉及一种基于设定工况的动力系统效率优化方法。

背景技术

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。

新能源（包括纯电动）汽车步入快速发展阶段，但是近年来，国家补贴政策持续退坡，行业成本压力倍增，经多轮挤压，电机、电控及减速器等零组件成本空间几近极限。在整车成本中，电池仍占整车成本之首，因此，降低电池成本是整车成本下降利器，而动力系统效率提升，可以减少电池容量从而有效降低整车成本。但是，构成新能源汽车动力系统的组件，包括驱动电机、控制器、减速器的效率提升已到瓶颈，而且继续提升这些组件效率相应成本增加或超过电池成本的下降，得不偿失。在现有技术中，动力系统依整车需求进行系统匹配时，通常只关注了单体效率，单体效率已近瓶颈，但基于设定工况的系统效率仍存在提升空间。

经过检索，申请人找到了以下相关文件：

一、公开号为CN102180169A，公开日为2011年9月14日的中国发明专利公开了一种基于成本的可外接充电混合动力汽车动力总成优化方法及其应用，其是首先根据可外接充电混合动力汽车动力总成布置结构，确定PHEV动力总成优化设计中的待优化变量，建立PHEV成本目标函数方程和约束条件；然后利用成本目标函数方程和约束条件，采用二次规划或矩阵分割优化算法计算得出满足约束条件且成本最低的PHEV动力总成的待优化变量，进而得到满足约束条件且成本最低的PHEV动力总成的最优设计方案。

二、公开号为CN104442345A，公开日为2015年3月25日的中国发明专利公开了一种混联式混合动力汽车动力总成系统，包括发动机、汽车起动发电一体机ISG、行星齿轮机构、驱动电机、动力电池组以及受整车控制器 控制的发动机离合器、ISG制动器、行星齿轮机构离合器和驱动电机离合器，所述行星齿轮机构包括行星架、太阳轮和齿圈，所述ISG直接集成在行星齿轮机构的太阳轮，其转子轴与所述行星齿轮机构的太阳轮相连接，所述行星齿轮机构的齿圈与所述驱动电机转子轴通过驱动电机离合器连接，所述驱动电机与所述行星齿轮机构的齿圈根据需要能够实现转矩耦合或解耦，所述驱动电机的转子轴与动力输出端通过一对齿轮相连接，所述驱动电机和所述ISG分别与逆变器通过电连接，逆变器和动力电池组之间是电连接，所述ISG制动器布置在所述ISG的输出轴，用于锁止或释放ISG与静态车架之间的关系，所述行星齿轮机构离合器用于锁止或释放行星齿轮机构的太阳轮与行星架之间的关系，设有无级变速器CVT、以及布置在所述CVT输出轴的受整车控制器控制的CVT制动器，所述CVT与所述发动机之间通过发动机离合器连接，所述CVT的输入轴和所述发动机的输出轴根据需要能够实现接合或分离，所述CVT输出轴与所述行星齿轮机构的行星架相连接，所述发动机输出转矩通过所述CVT变速比后传递至所述行星齿轮机构的太阳轮，所述CVT 制动器用于锁止或释放CVT与静态车架之间的关系，所述CVT可根据当前行星齿轮机构的转速以及需求转速不断变化速比，实时调节发动机转速。

三、公开号为CN107089164A，公开日为2017年8月25日的中国发明专利公开了一种纯电动汽车动力总成系统匹配方法，所述方法包括下述步骤：根据整车动力性目标确定驱动电机和动力电池的性能指标，以及根据续驶里程目标确 定动力电池的能量指标；分别对驱动电机和动力电池的性能指标进行动力性匹配；对动力电池的能量指标进行经济性匹配。

四、公开号为CN109840343A，公开日为2019年6月4日的中国发明专利公开了一种基于Visual Studio和Matlab混合编程的整车动力匹配及性能分析方法，包括如下步骤：(1)、确定整车参数及性能指标；(2)、将参数输入电机选型软件进行计算；(3)、根据匹配出的参数设计出电机外特性数据；(4)、动力性分析软件导入外特性数据；(5)、动力性分析软件进行仿真计算验证；(6)、进行多次设计、仿真分析，对参数及外特性曲线进行改进和优化。

经过分析发现，上述专利文献中的技术方案所解决的问题及达到的效果与本发明申请中的技术方案所解决的问题及达到的效果均不一样。

因此，如何设计一种基于设定工况的新能源汽车动力系统效率优化方法，以提高整车动力系统效率，在相同续航能力的要求下可以降低整车电池容量，从而有效的降低整车成本是急需解决的技术问题。

发明内容

本发明实际要解决的技术问题是针对现有技术中存在的缺陷，提供一种基于设定工况新能源汽车动力系统效率优化方法，在不提升动力系统组件，包括驱动电机、控制器及减速器等最高效率的前提下，通过组件的参数调整匹配，使得动力系统高效区间与设定工况需求区间高度吻合，有效的提高整车动力系统效率，有效的降低整车成本。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种基于设定工况的新能源汽车动力系统效率优化方法，其是将整车参数与设定工况相结合,利用效率权重的分析方法，通过对动力系统组件的参数设计优化，使各组件的高效区间与效率权重较大的区间尽量重合，从而实现基于设定工况的动力系统综合效率最优。

优选的，所述使各组件的高效区间与效率权重较大的区间尽量重合是先分析出组件能耗分布关系，从而分析出组件做功高的占比区间，将组件效率的高效区间与组件做功高的占比区间重合从而进行效率优化。

优选的，所述先分析出组件能耗分布关系是通过采用效率权重的方法进行分析的。

优选的，包括以下步骤：

1）、首先根据设定工况中规定的各个时间速度级别与整车参数，结合汽车平衡理论及平衡方程，计算出各个时间速度级别下，组件的输出扭矩、输出转速和输出功率；

2）、统计组件具有相同的输出扭矩、输出转速和输出功率的单个时间速度级别出现在整个工况的规定的所有时间速度级别中的次数，即出现频次；

3）、采用效率权重的方法，利用第2）步骤中得到的出现频次和第1）步骤中得到的输出功率，计算出组件在具有相同的组件输出扭矩、输出转速的单个时间速度级别中所做的功的总和，即单个输出扭矩、输出转速时所需组件做的总功；

4）、对得出的组件输出扭矩、输出转速和其所对应的总功的一系列数值进行统计分析，得出组件做功高的占比区域，最后将组件效率的高效区间与组件做功高的占比区域重合从而进行动力系统效率优化。

优选的，所述第3）步骤中采用效率权重的方法，是先将第1）步骤中得到的输出功率转化成组件做的功W，再利用公式：

，

得到总功，其中，W总为单个输出扭矩、输出转速时所需组件做的总功，N为出现频次。

优选的，所述第4）步骤中得出组件做功高的占比区域是通过分析组件区间能耗占比来得出的。

优选的，将组件在某一段转速区间和某一段扭矩区间中所做的总功之和设为组件的区间能耗，即W区；将组件在设定工况中所做的总功之和设为组件的总能耗，即W总能耗；将组件在某一段转速区间和某一段扭矩区间中的区间能耗占比设为K，则：

。

优选的，利用区间能耗占比K、转速和扭矩制成组件能耗分布图，将组件能耗分布图中区间能耗占比K比较集中的区域设为组件做功高的占比区域。

优选的，所述第4）步骤中的组件效率的高效区间是从组件效率map图中得出来的。

优选的，效率优化时，使得组件效率高效区间中的转速区间和扭矩区间分别与组件能耗分布图中做功高的占比区间中的转速区间和扭矩区间重合。

优选的，所述对动力系统组件进行效率优化包括对减速器组件、电机组件和电控组件进行的效率优化。

本发明的有益效果在于：本发明首先提出效率权重的概念来分析组件能耗分布关系， 通过对两个因素（在设定工况中某一时间速度级别下组件所做的功和出现频次）进行综合判断，从而使得分析结果能更加符合客观实际，无需通过提升组件的最高效率，仅通过组件的参数调整匹配，使得动力系统的高效区间与设定工况需求区间高度吻合，就能有效的提高整车动力系统效率，在相同续航能力的要求下可以降低整车电池容量，从而有效的降低整车成本。

附图说明

图1所示为某一车型的部分整车参数图；

图2为本发明的能耗分布求解示意图；

图3为本发明实施例的能耗数据参数示意图；

图4为本发明实施例的能耗数据参数统计示意图；

图5为本发明实施例中的电机能耗分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的阐述。

实施例：下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的阐述。

实施例：一种基于设定工况新能源汽车动力系统效率优化方法，其是在将整车参数与设定工况相结合的前提下，分别对动力系统的组件进行效率优化，所述对组件进行效率优化是在不提升组件最高效率的前提下，先分析出组件能耗分布关系，从而分析出组件做功高的占比区间，将组件效率的高效区间与组件做功高的占比区间重合从而进行效率优化。所述先分析出组件能耗分布关系是通过采用效率权重的方法进行分析的。在现有技术中，对组件能耗分布关系进行分析时，往往只考虑单个因素，即组件在设定工况中的各个时间速度级别下所做功的大小，而没有考虑具有相同扭矩、转速、功率的时间速度级别在设定工况中所出现的频次；或者只考虑了具有相同扭矩、转速、功率的时间速度级别在设定工况中所出现的频次，没有考虑组件在设定工况中的各个时间速度级别下所做功的大小。这样得出来的组件能耗分布关系往往与实际情况是不相符的，从而误导了后续的设计研发工作。比如，在工况的某一时间速度级别对应的组件扭矩、转速下，组件所做的功为500J，在工况的另外一个时间速度级别对应的组件扭矩、转速下，组件所做的功为1000J，在现有技术中，就判断做功为1000J的组件扭矩、转速所消耗的能耗比做功为500J时要大，往往没有考虑另外一个因素即出现频次。实际上，假设组件在某个时间速度级别所做的功为500J，但是相同扭矩、转速、功率时的时间速度级别在整个工况中出现频次为4；组件在某个时间速度级别所做的功为1000J，但是相同扭矩、转速、功率时的时间速度级别在整个工况中出现频次为1，那么，在该种工况下，组件在相同扭矩、转速做功500J时实际上出现了4次，其在设定工况中的总功为500J×4=2000J,组件在相同扭矩、转速做功1000J时实际上出现了1次，其在设定工况中的总功为1000J×1=1000J,因此，判断结果就与原来的判断结果完全相反。本实施例首先提出效率权重的概念来分析组件能耗分布关系，通过对两个因素（在设定工况中某一时间速度级别下组件所做的功和出现频次）进行综合判断，从而使得分析结果能更加符合客观实际，以正确的指导组件的设计。无需通过提升组件的最高效率，仅通过组件的参数调整匹配，使得动力系统的高效区间与设定工况需求区间高度吻合，就能有效的提高整车动力系统效率，在相同续航能力的要求下可以降低整车电池容量，从而有效的降低整车成本。

每个车型的整车参数是不相同的，图1所示的就是某一车型的部分整车参数。设定工况则可采用NEDC工况、GB∕T 38146.1-2019 中国汽车行驶工况或者其他标准工况以及客户自定义工况等等。

如图2所示，本实施例是根据汽车平衡理论及平衡方程，由整车参数和设定工况要求，依次分析计算出减速器、电机、电控的能耗分布关系，进而得到减速器、电机、电控的高效区间，从而对其进行有针对性的效率优化设计。

下面，本实施例以电机组件效率优化为例，来进行详细说明，减速器和电控组件的效率优化与电机效率优化是一样的原理。

电机组件效率优化的具体步骤为：

1）、首先根据设定工况中规定的各个时间速度级别与整车参数，结合汽车平衡理论及平衡方程，计算出各个时间速度级别下，电机的输出扭矩、输出转速和输出功率；如图3中工况中规定的时间为第15s，车速为15km/h时，计算出此时电机的输出扭矩为41.584Nm，电机输出转速为949.45rpm，电机输出平均功率为4134.55w，此时的时间为第15s，车速为15km/h就是设定工况下的一个时间速度级别；当时间为第16s，车速为15km/h时，计算出此时电机的输出扭矩为5.188Nm，电机输出转速为1085.1rpm，电机输出平均功率为589.515w，此时的时间为第16s，车速为15km/h就是设定工况下的一个时间速度级别；当时间为第17s，车速为15km/h时，计算出此时电机的输出扭矩为5.188Nm，电机输出转速为1085.1rpm，电机输出平均功率为589.515w，此时的时间为第17s，车速为15km/h就是设定工况下的一个时间速度级别依次类推，将设定工况中所规定的各个时间速度级别所对应的电机的输出扭矩、输出转速和输出功率都计算出来；

2）、统计具有相同的电机的输出扭矩、输出转速和输出功率的单个时间速度级别出现在整个工况的规定的所有时间速度级别中的次数，即出现频次；如图4中具有电机输出扭矩为5.188Nm，电机输出转速为1085.1rpm，电机输出平均功率为589.515w的单个时间速度级别在整个工况的速度级别中共出现了32次，因此，它的出现频次为32；具有电机输出扭矩为41.584Nm，电机输出转速为949.45rpm，电机输出平均功率为4134.55w的单个时间速度级别在整个工况的速度级别中共出现了4次，因此，它的出现频次为4，依次类推；根据计算出的各个时间速度级别所对应的电机输出平均功率，通过公式W=pt计算出各个时间速度级别所对应的电机做的功。在本实施例中相邻的时间速度级别中的时间相差都是1s，根据公式W=pt，可见，比如当电机输出平均功率为4134.55w时，其做的功W=4134.55×1=4134.55J；当时间间隔不为1s时，也是根据上述公式W=pt计算出其做的功，再进行下一步；

3）、采用效率权重的方法计算出电机在具有相同的输出扭矩、输出转速时所做的功的总和。如图4中，电机在具有输出扭矩为5.188Nm，输出转速为1085.1rpm时的总功为589.515×32=18864J，其中589.515J为电机在输出扭矩为5.188Nm，输出转速为1085.1rpm时的单个时间速度级别中所做的功，32为整个工况中出现的频次；电机在具有输出扭矩为41.584Nm，输出转速为949.45rpm时的总功为4134.55×4=16538J，其中4134.55J为电机在输出扭矩为41.584Nm，输出转速为949.45rpm时的单个时间速度级别中所做的功，4为整个工况中出现的频次；

4）、对得出的电机输出扭矩、电机输出转速和其所对应的总功的一系列数值进行统计分析，得出电机做功高的占比区域，最后将电机效率的高效区间与电机做功高的占比区域重合从而进行效率优化。

本实施例中最重要的是在第3）步骤计算总功时，采用了效率权重的方法进行计算，即对在设定工况中某一时间速度级别下组件所做的功和出现频次进行综合考虑，利用

，其中，W为电机在具有相同的输出扭矩、输出转速时单个时间速度级别中所做的功，N为出现频次，即电机输出扭矩、输出转速、输出功率都相同的单个时间速度级别的频次，W总为总功，即电机输出扭矩、输出转速都相同的单个时间速度级别的功的总和，求得的一系列总功数值更加符合客观事实。

所述第4）步骤中得出电机做功高的占比区域可通过分析电机区间能耗占比，来得到电机做功高的占比区域。

将电机在某一段转速区间和某一段扭矩区间中所做的总功之和设为电机的区间能耗，即W区；将电机在设定工况中所做的总功之和设为电机的总能耗，即W总能耗；将电机在某一段转速区间和某一段扭矩区间中的区间能耗占比设为K，则：

。

利用区间能耗占比K、转速和扭矩制成电机能耗分布图，如图5中的区间能耗占比为0.49%时，表示在转速区间为1000-1500rpm，扭矩区间为5-10Nm时，电机所做的总功之和与电机的总能耗之间的占比百分比为0.49%。

再对电机能耗分布图进行分析，将电机能耗分布图中区间能耗占比K比较集中的区域设为电机做功高的占比区域。例如图中虚线框中就是电机的做功高的占比区域，在此区域内电机的K高达72.01%，此区域内电机的转速为4000-7500 rpm，转矩为10-30Nm。

所述第4）步骤中的电机效率的高效区间是从电机效率map图中得出来的。效率优化时，尽量使得电机效率高效区间中的电机转速区间和扭矩区间与电机做功高的占比区域中的转速区间和扭矩区间重合。

本实施例在不提升组件最高效率，子组件成本也不增加的前提下，基于设定工况，优化匹配组件参数，有效的提高了设定工况下动力系统效率。

综上，本发明首先提出效率权重的概念来分析组件能耗分布关系， 通过对两个因素（在设定工况中某一时间速度级别下组件所做的功和出现频次）进行综合判断，从而使得分析结果能更加符合客观实际，无需通过提升组件的最高效率，仅通过组件的参数调整匹配，使得动力系统的高效区间与设定工况需求区间高度吻合，就能有效的提高整车动力系统效率，在相同续航能力的要求下可以降低整车电池容量，从而有效的降低整车成本。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应该由各权利要求限定。

Claims (11)

1.一种基于设定工况的新能源汽车动力系统效率优化方法，其特征在于：将整车参数与设定工况相结合,利用效率权重的分析方法，通过对动力系统组件的参数设计优化，使各组件的高效区间与效率权重较大的区间尽量重合，从而实现基于设定工况的动力系统综合效率最优。

2.根据权利要求1所述的基于设定工况新能源汽车动力系统效率优化方法，其特征在于：所述使各组件的高效区间与效率权重较大的区间尽量重合是先分析出组件能耗分布关系，从而分析出组件做功高的占比区间，将组件效率的高效区间与组件做功高的占比区间重合从而进行效率优化。

3.根据权利要求2所述的基于设定工况新能源汽车动力系统效率优化方法，其特征在于：所述先分析出组件能耗分布关系是通过采用效率权重的方法进行分析的。

4.根据权利要求3所述的基于设定工况新能源汽车动力系统效率优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）、首先根据设定工况中规定的各个时间速度级别与整车参数，结合汽车平衡理论及平衡方程，计算出各个时间速度级别下，组件的输出扭矩、输出转速和输出功率；

2）、统计组件具有相同的输出扭矩、输出转速和输出功率的单个时间速度级别出现在整个工况的规定的所有时间速度级别中的次数，即出现频次；

3）、采用效率权重的方法，利用第2）步骤中得到的出现频次和第1）步骤中得到的输出功率，计算出组件在具有相同的组件输出扭矩、输出转速的单个时间速度级别中所做的功的总和，即单个输出扭矩、输出转速时所需组件做的总功；

4）、对得出的组件输出扭矩、输出转速和其所对应的总功的一系列数值进行统计分析，得出组件做功高的占比区域，最后将组件效率的高效区间与组件做功高的占比区域重合从而进行动力系统效率优化。

5.根据权利要求4所述的基于设定工况新能源汽车动力系统效率优化方法，其特征在于：所述第3）步骤中采用效率权重的方法，是先将第1）步骤中得到的输出功率转化成组件做的功W，再利用公式：

，

得到总功，其中，W总为单个输出扭矩、输出转速时所需组件做的总功，N为出现频次。

6.根据权利要求3所述的基于设定工况新能源汽车动力系统效率优化方法，其特征在于：所述第4）步骤中得出组件做功高的占比区域是通过分析组件区间能耗占比来得出的。

7.根据权利要求6所述的基于设定工况新能源汽车动力系统效率优化方法，其特征在于：将组件在某一段转速区间和某一段扭矩区间中所做的总功之和设为组件的区间能耗，即W区；将组件在设定工况中所做的总功之和设为组件的总能耗，即W总能耗；将组件在某一段转速区间和某一段扭矩区间中的区间能耗占比设为K，则：

。

8.根据权利要求7所述的基于设定工况新能源汽车动力系统效率优化方法，其特征在于：利用区间能耗占比K、转速和扭矩制成组件能耗分布图，将组件能耗分布图中区间能耗占比K比较集中的区域设为组件做功高的占比区域。

9.根据权利要求4所述的基于设定工况新能源汽车动力系统效率优化方法，其特征在于：所述第4）步骤中的组件效率的高效区间是从组件效率map图中得出来的。

10.根据权利要求9所述的基于设定工况新能源汽车动力系统效率优化方法，其特征在于：效率优化时，使得组件效率高效区间中的转速区间和扭矩区间分别与组件能耗分布图中做功高的占比区间中的转速区间和扭矩区间重合。

11.根据权利要求1至10中任意一项权利要求所述的基于设定工况新能源汽车动力系统效率优化方法，其特征在于：所述对动力系统组件进行效率优化包括对减速器组件、电机组件和电控组件进行的效率优化。

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