CN112389211B - 一种增程式电动汽车传动参数匹配及优化方法 - Google Patents

一种增程式电动汽车传动参数匹配及优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增程式电动汽车传动参数匹配及优化方法，理论计算出主减速器传动比的取值范围，选取主减速比的初始值；在主减速器传动比的取值范围中，选取主减速比的初始值；采用带精英策略的非支配排序的遗传算法对主减速比进行优化。本发明以整车动力性和燃油经济性作为优化目标，对增程式电动汽车主减速比进行智能优化，既保证整车的动力性能，又改善了发动机的经济性和排放性能，一定程度上提升了城市空气质量；较之于某些商业软件中的固有的规则控制策略，本发明能够保证控制策略及优化结果的最优性，避免商业软件中策略适用度低对参数匹配的干扰。

Description

一种增程式电动汽车传动参数匹配及优化方法
技术领域
本发明属于新能源汽车技术领域，特别涉及一种增程式电动汽车传动参数匹配及优化方法。
背景技术
近年来，世界各国为减轻空气污染和温室效应对环境的影响，大力发展新能源汽车。其中的纯电动汽车受其动力电池的能量密度较小，成本过高以及续驶里程较短的影响，目前在推广的进程中受到不小的阻碍。然而增程式电动汽车，因其动力电池较小，成本较低，并且续驶里程可观，成为目前新能源汽车的研究热点。
在增程式电动汽车的开发设计时，传动系统的参数匹配是核心问题之一。增程式电动汽车因其特殊的结构特点和驱动电机的动力特性，不必像传统燃油车一样采用多档变速器来实现车速和扭矩的切换，故增程式电动汽车主要的传动系统参数为主减速器传动比(以下简称为主减速比)。该传动比的选取和设计，直接影响到整车的动力性能，是整车动力系统设计的关键。
目前大多厂商或科研机构，一般利用理论计算以及商业仿真软件对增程式电动汽车的主减速比进行分析验证。但理论计算后一般按照经验进行化整取值，并且一些商业软件中燃油经济性的计算也仅是按照几种固定的规则策略进行仿真计算，故难以保证所取的主减速比能匹配出最佳的燃油经济效果。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种增程式电动汽车传动参数匹配及优化方法，计算出最佳主减速器传动比，保证增程式电动汽车的动力性能，提升增程式电动汽车的燃油经济性和排放性能，一定程度上改善城市空气质量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种增程式电动汽车传动参数匹配及优化方法，包括如下步骤：
步骤一：理论计算出主减速器传动比的取值范围：
S1：通过整车最高车速和驱动电机的最大转速值，计算出主减速比的理论上限值，记为i0_max；
S2：通过整车所能行驶的道路最大坡度值，计算出主减速比的理论下限值，记为i0_min；
S3：主减速比i0取值范围即i0_min≤i0≤i0_max；
步骤二：选取主减速比的初始值：
在步骤一计算出的主减速器传动比的取值范围中，选取主减速比的初始值，记为i0_ori；
步骤三：采用带精英策略的非支配排序的遗传算法对主减速比进行优化：
S4：确定优化变量：优化变量为主减速器的传动比；
S5：目标函数的建立：
优化目标有两个，分别为百公里的加速时间，记作f1(i0)，单位s；以及特定工况的单位里程的能量消耗值，记作f2(i0)，单位KWh；
Figure BDA0002815484360000021
Figure BDA0002815484360000022
式中：δ为汽车旋转质量换算系数；m为整车质量；Ft为驱动电机驱动力；Ff为滚动阻力；Fw为空气阻力；E1为工况中等速过程中所消耗总能量；E2为工况中加速过程所消耗的总能量；E3为工况制动过程中所吸收的能量；S1为工况中等速过程总长度；S2为工况中加速过程总长度；S3为工况中制动过程总长度；
S6：确定约束条件：
Figure BDA0002815484360000023
g2(i0)＝αomax-αmax≤0
其中，Vomax是整车设计性能指标中的最高车速值，g1(i0)为整车设计性能指标中的最高车速与使用主减速比计算出的最高车速之差；αomax是整车设计性能指标中的最大爬坡度值，g2(i0)为整车设计性能指标中的最大爬坡度值与使用主减速比计算出的最大爬坡度之差；
S7：确定优化算法：采用带精英策略的非支配排序的遗传算法进行优化；
S8：输出优化结果：通过上述优化算法，在迭代次数终止后输出优化之后的主减速比，记作i0_fin。
进一步地，所述步骤一中，主减速比的理论上限值i0_max的具体计算方法为：
增程式电动汽车的最高车速和驱动电机最大转速与主减速比的关系为：
Figure BDA0002815484360000024
其中，Vmax为最高车速，r为车轮有效半径，nmax为驱动电机最高转速，i0为主减速比；
主减速比理论上限值i0_max为：
Figure BDA0002815484360000031
进一步地，所述步骤一中，主减速比的理论下限值，记为i0_min，具体计算方法如下：
汽车进行最大坡度爬坡时整车无加速度，相应的行驶方程式为：
Figure BDA0002815484360000032
其中，Temax为驱动电机最低转速运行时输出的转矩，i0为主减速比，ηT为传动系的机械效率，r为车轮有效半径，G为整车重量，f为滚动阻力系数，αmax为最大坡度值，CD为空气阻力系数，A为迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积，Vmin为汽车最低行驶车速；
主减速比理论下限值i0_min为：
Figure BDA0002815484360000033
进一步地，所述步骤二中，确定的目标函数中：
Figure BDA0002815484360000034
Figure BDA0002815484360000035
Ff＝Gf
Figure BDA0002815484360000036
Figure BDA0002815484360000037
Figure BDA0002815484360000038
Figure BDA0002815484360000039
Figure BDA00028154843600000310
Figure BDA0002815484360000041
式中，vb是驱动电机的基速所对应的汽车速度；vh为加速结束时车速，即100km/h；Te为驱动电机的额定转矩；Tm高于基速下驱动电机的转矩；Pe为驱动电机额定功率。
本发明技术方案显著优点在于：
1.本发明以整车动力性和燃油经济性作为优化目标，对增程式电动汽车主减速比进行智能优化，既保证整车的动力性能，又改善了发动机的经济性和排放性能，一定程度上提升了城市空气质量；
2.较之于某些商业软件中的固有的规则控制策略，本发明能够保证控制策略及优化结果的最优性，避免商业软件中策略适用度低对参数匹配的干扰。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为图1中带精英策略的非支配排序的遗传算法的算法流程图。
具体实施方式
为了使本发明目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。
参阅图1，本发明提供了一种增程式电动汽车传动参数匹配及优化方法，包括如下步骤：
步骤一：理论计算出主减速器传动比的取值范围
S1：通过整车最高车速和驱动电机的最大转速值，计算出主减速比的理论上限值，记为i0_max，具体计算方法如下：
增程式电动汽车的最高车速和驱动电机最大转速与主减速比的关系为：
Figure BDA0002815484360000042
其中，Vmax为最高车速，r为车轮有效半径，nmax为驱动电机最高转速，i0为主减速比。
故，主减速比理论上限值i0_max为：
Figure BDA0002815484360000043
S2：通过整车的爬坡性能，即所能行驶的道路最大坡度值，计算出主减速比的理论下限值，记为i0_min，具体计算方法如下：
汽车一般在很低的稳定车速下进行最大坡度爬坡，此时整车无加速度，故相应的行驶方程式为：
Figure BDA0002815484360000051
其中，Temax为驱动电机最低转速运行时输出的转矩，i0为主减速比，ηT为传动系的机械效率，r为车轮有效半径，G为整车重量，f为滚动阻力系数，αmax为最大坡度值，CD为空气阻力系数，A为迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积，Vmin为汽车最低行驶车速。
故，主减速比理论下限值i0_min为：
Figure BDA0002815484360000052
S3：根据步骤S1和步骤S2可得主减速比i0取值范围为：
Figure BDA0002815484360000053
步骤二：选取主减速比的初始值
在步骤一计算出的主减速器传动比的取值范围中，根据整十整五原则(即取整数或0.5小数，例如：30.5或40.0)进行选取，选取值记为i0_ori。若整车设计要求偏重于高速性能，则i0_ori优先选取区间中较小的值；若整车设计要求偏重于爬坡性能，则i0_ori优先选取区间中较大的值。
步骤三：采用带精英策略的非支配排序的遗传算法对主减速比进行优化
S4：确定优化变量：
优化变量为主减速器的传动比；
S5：目标函数的建立：
优化目标有两个，分别为百公里的加速时间(动力性指标)，记作f1(i0),单位s，特定工况的单位里程的能量消耗值(经济性指标),记作f2(i0)，单位KWh，两个函数的具体表达式如式(6)～式(16)：
Figure BDA0002815484360000054
Figure BDA0002815484360000061
Figure BDA0002815484360000062
Figure BDA0002815484360000063
Ff＝Gf (10)
Figure BDA0002815484360000064
Figure BDA0002815484360000065
Figure BDA0002815484360000066
Figure BDA0002815484360000067
Figure BDA0002815484360000068
Figure BDA0002815484360000069
其中，式(6)和式(7)是具体优化目标的表达式；
式(8)至式(16)是相关字母的辅助说明公式；
Pi和Pq与主减速比i0的关系参考式(12)和式(16)。
式中，vb是驱动电机的基速所对应的汽车速度；vh为加速结束时车速，即100km/h；δ为汽车旋转质量换算系数；m为整车质量；Ft为驱动电机驱动力；Ff为滚动阻力；Fw为空气阻力；Te为驱动电机的额定转矩；Tm高于基速下驱动电机的转矩；Pe为驱动电机额定功率；E1为工况中等速过程中所消耗总能量(不展开做详细解释)；E2为工况中加速过程所消耗的总能量(不展开做详细解释)；E3为工况制动过程中所吸收的能量(不展开做详细解释)；S1为工况中等速过程总长度；S2为工况中加速过程总长度；S3为工况中制动过程总长度。
之后，为了便于计算和使两种计算结果具有可比性，需对两个目标函数进行加权归一化处理，得到最终的目标函数：
f(i0)＝μ1f1(i0)+μ2f2(i0) (17)
其中，μ1和μ2根据对增程式电动汽车的动力性能和经济性能的侧重性制定具体数值。
S6：确定约束条件
约束条件有两个：
A.使用主减速比计算出的最高车速需大于整车设计性能指标中的最高车速值，如下式：
Figure BDA0002815484360000071
其中，Vomax是整车设计性能指标中的最高车速值，g1(i0)为整车设计性能指标中的最高车速与使用主减速比计算出的最高车速之差。
B.使用主减速比计算出的最大爬坡度需大于整车设计性能指标中的最大爬坡度值，如下式：
Figure BDA0002815484360000072
其中，αomax是整车设计性能指标中的最大爬坡度值，g2(i0)为整车设计性能指标中的最大爬坡度值与使用主减速比计算出的最大爬坡度之差。
S7：确定优化算法
本发明采用带精英策略的非支配排序的遗传算法，即NSGA-II，建立具体算法框架，该方法的快速非支配排序法，可降低原有遗传算法的计算复杂度，并同时保存种群的多样性，且能够提高种群水平。其算法中的参数，种群规模取80-100，进化代数取100-200，交叉概率取0.4-0.6，变异概率取0.001-0.01。该步骤具体流程，请参阅图2。
S8：输出优化结果
通过上述优化算法，在迭代次数终止后输出优化之后的主减速比，记作i0_fin。
本发明通过严谨地理论推导，计算出增程式电动汽车的主减速比的取值范围，从而进行主减速比初始值的选值，再使用相关智能方法，将主减速比的取值进行优化；
将多目标优化方法，尤其是带精英策略的非支配排序的遗传算法，运用到对增程式电动汽车传动系统参数的优化上，即保证了整车的动力需求，又改善了整车的燃油经济性和排放性。

Claims (4)

1.一种增程式电动汽车传动参数匹配及优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：理论计算出主减速器传动比的取值范围：
S1：通过整车最高车速和驱动电机的最大转速值，计算出主减速比的理论上限值，记为i0_max；
S2：通过整车所能行驶的道路最大坡度值，计算出主减速比的理论下限值，记为i0_min；
S3：主减速比i0取值范围即i0_min≤i0≤i0_max；
步骤二：选取主减速比的初始值：
在步骤一计算出的主减速器传动比的取值范围中，选取主减速比的初始值，记为i0_ori；
步骤三：采用带精英策略的非支配排序的遗传算法对主减速比进行优化：
S4：确定优化变量：优化变量为主减速器的传动比；
S5：目标函数的建立：
优化目标有两个，分别为百公里的加速时间，记作f1(i0)，单位s；以及特定工况的单位里程的能量消耗值，记作f2(i0)，单位KWh；
Figure FDA0003331501730000011
Figure FDA0003331501730000012
式中：δ为汽车旋转质量换算系数；m为整车质量；Ft为驱动电机驱动力；Ff为滚动阻力；Fw为空气阻力；E1为工况中等速过程中所消耗总能量；E2为工况中加速过程所消耗的总能量；E3为工况制动过程中所吸收的能量；S1为工况中等速过程总长度；S2为工况中加速过程总长度；S3为工况中制动过程总长度；
S6：确定约束条件：
Figure FDA0003331501730000013
g2(i0)＝αomax-αmax≤0
其中，Vomax是整车设计性能指标中的最高车速值，r为车轮有效半径，nmax为驱动电机最高转速，g1(i0)为整车设计性能指标中的最高车速与使用主减速比计算出的最高车速之差；αomax是整车设计性能指标中的最大爬坡度值，g2(i0)为整车设计性能指标中的最大爬坡度值与使用主减速比计算出的最大爬坡度之差；
S7：确定优化算法：采用带精英策略的非支配排序的遗传算法进行优化；
S8：输出优化结果：通过上述优化算法，在迭代次数终止后输出优化之后的主减速比，记作i0_fin。
2.如权利要求1所述的一种增程式电动汽车传动参数匹配及优化方法，其特征在于，所述步骤一中，主减速比的理论上限值i0_max的具体计算方法为：
增程式电动汽车的最高车速和驱动电机最大转速与主减速比的关系为：
Figure FDA0003331501730000021
其中，Vmax为最高车速，r为车轮有效半径，nmax为驱动电机最高转速，i0为主减速比；
主减速比理论上限值i0_max为：
Figure FDA0003331501730000022
3.如权利要求1所述的一种增程式电动汽车传动参数匹配及优化方法，其特征在于，所述步骤一中，主减速比的理论下限值，记为i0_min，具体计算方法如下：
汽车进行最大坡度爬坡时整车无加速度，相应的行驶方程式为：
Figure FDA0003331501730000023
其中，Temax为驱动电机最低转速运行时输出的转矩，i0为主减速比，ηT为传动系的机械效率，r为车轮有效半径，G为整车重量，f为滚动阻力系数，αmax为最大坡度值，CD为空气阻力系数，A为迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积，Vmin为汽车最低行驶车速；
主减速比理论下限值i0_min为：
Figure FDA0003331501730000024
4.如权利要求1所述的一种增程式电动汽车传动参数匹配及优化方法，其特征在于，所述步骤二中，确定的目标函数中：
Figure FDA0003331501730000025
Figure FDA0003331501730000031
Ff＝Gf，
Figure FDA0003331501730000032
Figure FDA0003331501730000033
Figure FDA0003331501730000034
Figure FDA0003331501730000035
Figure FDA0003331501730000036
Figure FDA0003331501730000037
式中，v是汽车行驶车速；vb是驱动电机的基速所对应的汽车速度；vh为加速结束时车速，即100km/h；Te为驱动电机的额定转矩；Tm高于基速下驱动电机的转矩；Pe为驱动电机额定功率；r为车轮有效半径；G为整车重量；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积；ηT为传动系的机械效率；Ff为滚动阻力；n为驱动电机转速；Pi是在等速行驶中划分的第i个等速区段车辆需求功率；ti是指在等速行驶中划分的第i个的等速区段内的时间；ηm为增程式电动汽车的电机及电机控制器的效率；Pq是在加速行驶中划分的第j个加速区段车辆需求功率；tj是在加速行驶中划分的第j个加速区段的时间；c是将时间tj做的等分数量；Ed是每个制动区间内所消耗的制动能量；P是指车辆行驶的整车需求功率。
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