CN112906135A - 一种用于重型商用车混合动力系统的构型拓扑生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于重型商用车混合动力系统的构型拓扑生成方法，通过对构型拓扑生成问题进行数学建模和求解，建立部件库和部件连接的数学表示，将拓扑生成问题表述为约束满足问题并建立完整的约束条件，利用回溯迭代法搜索求解得到满足约束问题的所有可行构型并对其进一步分析。本发明系统地建立了构型拓扑生成的完整过程，在给定部件数量以及完整约束条件下可得到所有可行构型，有利于重型商用车混合动力系统的构型开发与设计，同时也可用于未知构型的探索。

Description

一种用于重型商用车混合动力系统的构型拓扑生成方法

技术领域

本发明属于混合动力汽车技术系统，更确切地说，本发明涉及一种用于重型商用车混合动力系统的构型拓扑生成方法。

背景技术

面对日益严苛的油耗法规限制和环保需求以及当前技术水平的限制，采用混合动力技术是当前阶段重型商用车发展的必经路线。然而我国重型商用车混合动力化刚刚起步，混合动力系统方案的设计问题就显的尤为重要，系统方案的确定直接影响着产品最终的性能与竞争力。重型商用车由于转矩需求大，路况复杂，成本把控严苛，其混动系统的设计面临更大的限制和挑战。混合动力系统构型虽大体分为串联，并联和混联三大类，但每一类包含多种拓扑连接结构，探索未知构型始终是混动研究的重点问题之一，一些研究表明构型上的微小变动能带来可观的性能提升。

当前一些研究将构型拓扑生成描述为约束满足问题，即在满足一系列连接约束的条件下搜索出所有可行的连接组合，但是其对各部件连接约束的分析不够系统完全，最后找出的四千多种构型拓扑中很多是重复和值得商榷的，而以连接关系为核心的拓扑生成方法需要更加严谨充分的约束，以防止得出大量包含不合理连接关系的解。针对重型商用车混合动力系统的特点，制定相应的构型拓扑生成方法，对重型商用车混合动力系统的构型开发与设计具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有构型拓扑生成方法没有严谨完整的约束条件导致得出大量包含不合理连接关系的解等问题，提供了一种用于重型商用车混合动力系统的构型拓扑生成方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：包括下列步骤：

第一步，建立构型拓扑生成问题的数学表示

首先建立如表1所示的部件库，该部件库中每一个部件包含部件类型、同类型部件数、部件接口数三个属性，其中部件类型是用不同数字代表不同的部件，同类型部件数表示最多采用多少个该类型部件用于构建连接关系，部件接口数表示该部件外连的部件数。此部件库用于重载且成本要求严苛的重型商用车，不考虑用到多个离合器、制动器或行星排等过于复杂的系统。然后利用上述部件表示方法对部件连接关系及构型拓扑进行数学表示，即将部件用V_ij表示，其中i代表部件的类型编号，j代表该类型部件的第j个部件，将两个部件连接关系用{V_ij,V_mn}表示。

表1用于拓扑生成的部件库

第二步，制定约束满足问题

将混合动力系统的拓扑生成问题描述为约束满足问题(CSP)，即表述为<变量集X,变量取值范围D,变量约束集合C>，其中变量集X＝{X1；X2；…Xe}，变量Xi代表一个连接关系，一个变量集X代表一种构型，根据公式(1)得到构成拓扑所需要的连接关系的个数，即变量集X的维数e为：

式中，n——所选部件类型总数

m——该类型部件总数

T_i——部件i的接口数

变量取值范围D为所有部件中任取两个部件的组合，对于重型商用车混合动力系统，完整的约束条件包括部件组合约束合部件连接约束。

第三步，利用迭代回溯算法搜索求解

由表1中选择一定数量的部件用于拓扑生成，并根据式(1)得到每种构型的维数e，利用回溯法构造每一维连接关系的部分解，再结合第二步的完整约束条件评估这个部分解，部分解满足约束进入下一维继续构造，否则返回上一维搜索其他解，迭代上述步骤直到穷举完毕。

本发明第二步中，部件组合约束为：组件库中应有发动机、电机、车体以构成混合动力系统，组件库中应包含离合器或行星齿轮机构以解耦发动机和车体，组件库中存在行星齿轮机构时组件库中应包含两个电机以保证行星排起到功率分流作用，组件库中应包含变速器以满足重型商用车大转矩需求，组件库中有制动器时应包含耦合器和行星排，制动器的作用为适时地通过锁死行星齿轮一端使行星齿轮形成固定速比传动机构，但制动器又不能与行星齿轮机构直接相连，否则当制动器不锁止时行星齿轮机构与制动器连接一端无法传递转矩，动力部件库中总接口数必须为偶数以保证构型的维数为整数。

部件连接约束划分为两部件连接约束，三部件连接约束，四部件连接约束和五部件连接约束。两部件约束中，发动机与电机、变速器、制动器、车体不形成连接，两电机不形成连接，电机与变速器、离合器、制动器、车体不形成连接，变速器与行星排、离合器、转矩耦合器不形成局部封闭连接，变速器不与制动器形成连接，行星排与离合器、制动器、车体不形成连接，行星排与转矩耦合器不形成局部封闭连接，两个转矩耦合器不形成连接，离合器与制动器、车体不形成连接，离合器与转矩耦合器不形成局部封闭连接，制动器与耦合器连接时，此耦合器另外两端分别连接行星排、发动机或电机，制动器不与车体连接，数学表示为

式中V_2j——任一电机，j＝1,2

V_7k——任一转矩耦合器，k＝1,2

三部件连接约束中，两个电机不与同一转矩耦合器或行星排形成连接，变速器、耦合器、行星排不形成局部封闭连接，变速器、离合器、耦合器不形成局部封闭连接，变速器、离合器、行星排不形成局部封闭连接，离合器、行星排、耦合器不形成局部封闭连接，发动机、车体不与同一个耦合器相连，发动机与电机与同一个耦合器连接时该耦合器的第三个接口必须连变速器或离合器，数学表示为

四部件连接约束中，变速器、耦合器、行星排、离合器不形成局部封闭连接，变速器、两个耦合器、行星排不形成局部封闭连接，数学表示为

五部件连接约束中，变速器、两个耦合器、行星排、离合器不形成局部封闭连接，数学表示为

{V₃₁,V₅₁}+{V₃₁,V₇₁}+{V₄₁,V₇₁}+{V₄₁,V₇₂}+{V₅₁,V₇₂}≠5； (5)

由表1中分别选择部件数量为6-10用于拓扑生成，经过完整的约束条件筛选后得到符合要求的构型为：部件数量为6，部件组合[1,2,2,3,5,8]和[1,2,3,5,7,8]为满足部件组合约束的可行解，前者没有满足部件连接约束的可行解，后者根据部件连接约束搜索得到单电机并联构型；部件数量为7，部件组合[1,2,2,3,4,7,8]为满足部件组合约束的可行解，再根据部件连接约束搜索得到EVT加变速器构型；部件数量为8，部件组合[1,2,2,3,5,7,7,8]为满足部件组合约束的可行解，再根据部件连接约束搜索得到双电机并联构型；部件数量为9，部件组合[1,2,2,3,4,6,7,7,8]为满足部件组合约束的可行解，再根据部件连接约束搜索得到EVT加变速器和制动器构型；部件数量为10，没有满足部件组合约束的可行解。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的一种用于重型商用车混合动力系统的构型拓扑生成方法针对重型商用车混合动力系统制定了严谨完整的约束条件，准确搜索到几种符合约束要求的可用构型；

2.本发明所述的一种用于重型商用车混合动力系统的构型拓扑生成方法采用回溯迭代法搜索符合要求的构型，节约了计算量，提高了搜索速度；

3.本发明所述的一种用于重型商用车混合动力系统的构型拓扑生成方法针对不同对象制定对应的部件库与约束条件，可推广到乘用车，特种车等其他车型；

4.本发明所述的一种用于重型商用车混合动力系统的构型拓扑生成方法可用于未知构型的探索。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的一种用于重型商用车混合动力系统的构型拓扑生成方法的总体流程图；

图2为本发明所述的一种用于重型商用车混合动力系统的构型拓扑生成方法中部件连接不能形成的局部封闭连接汇总图；

图3为本发明所述的一种用于重型商用车混合动力系统的构型拓扑生成方法中满足部件组合约束的部件组合；

图4为本发明所述的一种用于重型商用车混合动力系统的构型拓扑生成方法中不同部件数量搜索得到的构型拓扑图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1，本发明所述的一种用于重型商用车混合动力系统的构型拓扑生成方法包括连接和拓扑的数学表示、将拓扑生成问题表述为约束满足问题、建立合理完整的约束条件以及回溯法搜索求解。下面分步具体叙述重型商用车混合动力系统的构型拓扑生成方法。

第一步，建立构型拓扑生成问题的数学表示

首先建立如表1所示的部件库，该部件库中每一个部件包含部件类型、同类型部件数、部件接口数三个属性，其中部件类型是用不同数字代表不同的部件，同类型部件数表示最多采用多少个该类型部件用于构建连接关系，部件接口数表示该部件外连的部件数。此部件库用于重载且成本要求严苛的重型商用车，不考虑用到多个离合器、制动器或行星排等过于复杂的系统。然后利用上述部件表示方法对部件连接关系及构型拓扑进行数学表示，即将部件用V_ij表示，其中i代表部件的类型编号，j代表该类型部件的第j个部件，将两个部件连接关系用{V_ij,V_mn}表示。

表1用于拓扑生成的部件库

第二步，制定约束满足问题

将混合动力系统的拓扑生成问题描述为约束满足问题(CSP)，即表述为<变量集X,变量取值范围D,变量约束集合C>，其中变量集X＝{X1；X2；…Xe}，变量Xi代表一个连接关系，一个变量集X代表一种构型，根据公式(1)得到构成拓扑所需要的连接关系的个数，亦即变量集X的维数e为：

式中，n——所选部件类型总数

m——该类型部件总数

T_i——部件i的接口数

变量取值范围D为所有部件中任取两个部件的组合，对于重型商用车混合动力系统，完整的约束条件包括部件组合约束合部件连接约束。

第三步，利用迭代回溯算法搜索求解

由表1中选择一定数量的部件用于拓扑生成，并根据式(1)得到每种构型的维数e，利用回溯法构造每一维连接关系的部分解，再结合第二步的完整约束条件评估这个部分解，部分解满足约束进入下一维继续构造，否则返回上一维搜索其他解，迭代上述步骤直到穷举完毕。

本发明第二步中，部件组合约束为：组件库中应有发动机、电机、车体以构成混合动力系统，组件库中应包含离合器或行星齿轮机构以解耦发动机和车体，组件库中存在行星齿轮机构时组件库中应包含两个电机以保证行星排起到功率分流作用，组件库中应包含变速器以满足重型商用车大转矩需求，组件库中有制动器时应包含耦合器和行星排，制动器的作用为适时地通过锁死行星齿轮一端使行星齿轮形成固定速比传动机构，但制动器又不能与行星齿轮机构直接相连，否则当制动器不锁止时行星齿轮机构与制动器连接一端无法传递转矩，动力部件库中总接口数必须为偶数以保证构型的维数为整数。

参阅图2，部件连接约束划分为两部件连接约束，三部件连接约束，四部件连接约束和五部件连接约束。两部件约束中，发动机与电机、变速器、制动器、车体不形成连接，两电机不形成连接，电机与变速器、离合器、制动器、车体不形成连接，变速器与行星排、离合器、转矩耦合器不形成局部封闭连接，变速器不与制动器形成连接，行星排与离合器、制动器、车体不形成连接，行星排与转矩耦合器不形成局部封闭连接，两个转矩耦合器不形成连接，离合器与制动器、车体不形成连接，离合器与转矩耦合器不形成局部封闭连接，制动器与耦合器连接时，此耦合器另外两端分别连接行星排、发动机或电机，制动器不与车体连接，数学表示为

式中V_2j——任一电机，j＝1,2

V_7k——任一转矩耦合器，k＝1,2

三部件连接约束中，两个电机不与同一转矩耦合器或行星排形成连接，变速器、耦合器、行星排不形成局部封闭连接，变速器、离合器、耦合器不形成局部封闭连接，变速器、离合器、行星排不形成局部封闭连接，离合器、行星排、耦合器不形成局部封闭连接，发动机、车体不与同一个耦合器相连，发动机与电机与同一个耦合器连接时该耦合器的第三个接口必须连变速器或离合器，数学表示为

四部件连接约束中，变速器、耦合器、行星排、离合器不形成局部封闭连接，变速器、两个耦合器、行星排不形成局部封闭连接，数学表示为

五部件连接约束中，变速器、两个耦合器、行星排、离合器不形成局部封闭连接，数学表示为

{V₃₁,V₅₁}+{V₃₁,V₇₁}+{V₄₁,V₇₁}+{V₄₁,V₇₂}+{V₅₁,V₇₂}≠5； (5)

参阅图3和图4，由表1部件库中分别选择部件数量为6-10用于拓扑生成，经过完整的约束条件筛选后得到符合要求的构型为：部件数量为6，部件组合[1,2,2,3,5,8]和[1,2,3,5,7,8]为满足部件组合约束的可行解，前者没有满足部件连接约束的可行解，后者根据部件连接约束搜索得到单电机并联构型，具体为P0/P1、P2、P3三种构型，P4构型在后桥加装单独的电驱动系统，而重型商用车中后桥间空间有限，只能单独地设计简单的驱动系统，对探讨构型拓扑的意义不大，不予考虑；部件数量为7，部件组合[1,2,2,3,4,7,8]为满足部件组合约束的可行解，再根据部件连接约束搜索得到EVT加变速器构型，具体为电动机耦合在变速器前和耦合在变速器后两种构型；部件数量为8，部件组合[1,2,2,3,5,7,7,8]为满足部件组合约束的可行解，再根据部件连接约束搜索得到双电机并联构型，具体为P1/P0+P2、P1/P0+P3、P2+P3三种传统构型以及一种离合器在变速器后的变型；部件数量为9，部件组合[1,2,2,3,4,6,7,7,8]为满足部件组合约束的可行解，再根据部件连接约束搜索得到EVT加变速器和制动器构型，具体为电动机耦合在变速器前后与制动器锁止发动机或发电机的四种组合构型；部件数量为10，没有满足部件组合约束的可行解。

最后说明的是，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动或等同替换而不脱离本发明的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种用于重型商用车混合动力系统的构型拓扑生成方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

第一步，建立构型拓扑生成问题的数学表示

首先建立如表1所示的部件库，该部件库中每一个部件包含部件类型、同类型部件数、部件接口数三个属性，其中部件类型是用不同数字代表不同的部件，同类型部件数表示最多采用多少个该类型部件用于构建连接关系，部件接口数表示该部件外连的部件数；然后利用上述部件表示方法对部件连接关系及构型拓扑进行数学表示，即将部件用V_ij表示，其中i代表部件的类型编号，j代表该类型部件的第j个部件，将两个部件连接关系用{V_ij,V_mn}表示；

表1 用于拓扑生成的部件库

第二步，制定约束满足问题

将混合动力系统的拓扑生成问题描述为约束满足问题(CSP)，即表述为<变量集X,变量取值范围D,变量约束集合C>，其中变量集X＝{X1；X2；…Xe}，变量Xi代表一个连接关系，一个变量集X代表一种构型，根据公式(1)得到构成拓扑所需要的连接关系的个数，即变量集X的维数e为：

式中，n——所选部件类型总数

m——该类型部件总数

T_i——部件i的接口数

变量取值范围D为所有部件中任取两个部件的组合；对于重型商用车混合动力系统，完整的约束条件包括部件组合约束合部件连接约束；

第三步，利用迭代回溯算法搜索求解

由表1中选择一定数量的部件用于拓扑生成，并根据式(1)得到每种构型的维数e，利用回溯法构造每一维连接关系的部分解，再结合第二步的完整约束条件评估这个部分解，部分解满足约束进入下一维继续构造，否则返回上一维搜索其他解，迭代上述步骤直到穷举完毕。

2.按照权利要求1所述的一种用于重型商用车混合动力系统的构型拓扑生成方法，其特征在于，本方法第二步中，完整的约束条件包括部件组合约束和部件连接约束，其中部件组合约束为：组件库中应有发动机、电机、车体、离合器或行星排、变速器，组件库中存在行星齿轮机构时组件库中应包含两个电机，组件库中有制动器时应包含耦合器和行星排，部件库中总接口数应为偶数；部件连接约束划分为两部件连接约束，三部件连接约束，四部件连接约束和五部件连接约束；两部件约束中，发动机与电机、变速器、制动器、车体不形成连接，两电机不形成连接，电机与变速器、离合器、制动器、车体不形成连接，变速器与行星排、离合器、转矩耦合器不形成局部封闭连接，变速器不与制动器形成连接，行星排与离合器、制动器、车体不形成连接，行星排与转矩耦合器不形成局部封闭连接，离合器与制动器不形成连接，离合器与转矩耦合器不形成局部封闭连接，制动器与耦合器连接时，此耦合器另外两端分别连接行星排、发动机或电机，制动器不与车体连接，两个转矩耦合器不形成连接，数学表示为

式中V_2j——任一电机，j＝1,2

V_7k——任一转矩耦合器，k＝1,2

三部件连接约束中，两个电机不与同一转矩耦合器或行星排形成连接，变速器、耦合器、行星排不形成局部封闭连接，变速器、离合器、耦合器不形成局部封闭连接，变速器、行星排、离合器不形成局部封闭连接，行星排、离合器、耦合器不形成局部封闭连接，发动机、车体不与同一个耦合器相连，发动机与电机与同一个耦合器连接时该耦合器的第三个接口应连变速器或离合器，数学表示为

四部件连接约束中，变速器、耦合器、行星排、离合器不形成局部封闭连接，变速器、两个耦合器、行星排不形成局部封闭连接，数学表示为

五部件连接约束中，变速器、两个耦合器、行星排、离合器不形成局部封闭连接，数学表示为

{V₃₁,V₅₁}+{V₃₁,V₇₁}+{V₄₁,V₇₁}+{V₄₁,V₇₂}+{V₅₁,V₇₂}≠5； (5)。

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