CN112926134A - 一种电动汽车滑板式电池包优化方法 - Google Patents

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周一
石传龙
刘大明
张晓俊
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Abstract

一种电动汽车滑板式电池包优化方法，以汽车动力学理论为基础，综合考虑电动汽车在转向、制动工况下的动力学特性，减小电动汽车动力电池包的结构尺寸及其装配位置、悬架系统装配位置等初始值及其误差对多运行工况的电动汽车动力学性能的影响，建立基于电动汽车转向、制动性能的电动汽车滑板式电池包结构尺寸及装配位置的优化方法，实现电动汽车滑板式电池包结构尺寸及装配位置的多目标稳健优化。该方法可以应用于各类安装有滑板式电池包的电动汽车中。

Description

一种电动汽车滑板式电池包优化方法
技术领域
本发明涉及一种电动汽车滑板式电池包优化方法，属于汽车零部件设计领域。
背景技术
现阶段，电动汽车电池包的结构尺寸以及装配位置仅仅是考虑电动汽车底盘的装配空间，并没有考虑电动汽车电池包的结构尺寸以及装配位置对电动汽车动力学性能的影响。因此本发明以汽车动力学理论为基础，建立基于电动汽车转向、制动性能的电动汽车滑板式电池包结构尺寸及装配位置的优化方法，同时减小滑板式电池包结构尺寸误差、装配误差对优化结果的影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明可以解决的问题是提出一种电动汽车滑板式电池包优化方法，首先建立电动汽车整车参数化样机模型；通过具有相同底盘子模块但不同装配位置的样机模型的动力学仿真对比分析得到最佳电动汽车样机模型；以最佳电动汽车样机模型为基础，分析研究滑板式电池包的结构尺寸、装配位置对电动汽车动力学特征的影响；并以此为基础，分析电动汽车滑板式电池包的结构尺寸参数、装配位置参数的误差对电动汽车动力学性能的影响，建立电动汽车滑板式电池包稳健优化模型。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种电动汽车滑板式电池包优化方法，包括以下步骤：
第一步，整车参数化样机模型的构建，首先定义电动汽车整车基本参数、电动汽车底盘子模块的装配位置参数、电动汽车的运行参数的初始值和定义域，包括：整车的轴距、轮距、转向梯形底角，悬架系统、动力电池的装配位置，车辆载荷，最终建立包括悬架系统、转向系统、制动系统、动力电池系统、车身系统的电动汽车整车参数化样机模型；
第二步，确定电动汽车最佳样机模型，以电动汽车整车参数化样机模型为基础，构建出具有相同底盘子模块但不同结构尺寸、不同装配位置的电动汽车样机模型，在相同的车辆载荷、车速，不同的路面附着系数下对比分析样机模型在转向、制动工况下的动力学特性，从而确定电动汽车最佳样机模型；
第三步，电动汽车滑板式电池包优化模型构建，以电动汽车动力学的测试参数为优化目标，包括制动侧滑、车身横摆角速度、车身侧向加速度、质心侧偏角，设计变量包括可控变量：滑板式电池包的结构尺寸及其装配位置，和不可控变量：滑板式电池包的结构尺寸误差及其装配位置误差、悬架系统的装配位置误差，约束条件包含电动汽车通过性及其电动汽车底盘装配空间的尺寸限制；
第四步，基于响应面法的近似函数构建，基于汽车动力学理论，利用电动汽车最佳样机模型，综合考虑不同路面附着系数的电动汽车在制动工况下的动力学特征，测试优化目标：制动侧滑、车身横摆角速度、车身侧向加速度、质心侧偏角的数值，并以此为基础建立基于响应面法的各个优化目标的近似函数，作为每个优化目标的函数；
第五步，误差分析，采用正交实验方法，分析研究滑板式电池包的结构尺寸参数及其装配位置参数、悬架系统装配位置参数及其误差对各个优化目标的影响，并应用蒙特卡洛方法得到主影响因素和次影响因素，从而确定滑板式电池包结构尺寸精度及其装配位置精度、悬架系统装配位置精度，同时删除次影响因素，简化滑板式电池包优化模型的设计变量；
第六步，整体偏好集合函数，以个体偏好函数方法确定电动汽车滑板式电池包结构尺寸及其装配位置、悬架系统装配位置的表达方式，应用整体偏好集合函数，将不同的个体聚合偏好函数集成到整体偏好集合函数，同时考虑目标函数的均值和方差的变化，求解滑板式电池包的稳健优化结果。
本发明的优点是：综合考虑电动汽车在转向、制动工况下的动力学特性，减小电动汽车动力电池包的结构尺寸及其装配位置、悬架系统装配位置等初始值及其误差对多运行工况的电动汽车动力学性能的影响，实现电动汽车滑板式电池包结构尺寸及装配位置的多目标稳健优化。该方法可以应用于各类安装有滑板式电池包的电动汽车中。
附图说明
图1是本发明的技术路线示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的最佳实施方式。
1. 电动汽车动力学特性分析
（1）建立整车参数化样机模型
首先定义电动汽车整车基本参数的初始值和定义域，包括整车的轴距、轮距、转向梯形底角等参数，再次定义电动汽车底盘子模块的装配位置参数，包括悬架系统、动力电池的装配位置等参数的初始值和定义域，然后定义汽车的运行参数，包括车辆载荷的初始值和定义域等，建立包括悬架系统、转向系统、制动系统、动力电池系统、车身系统的电动汽车整车参数化样机模型。例如，动力电池装配位置参数包括其与汽车前轴中心的横向、纵向和垂向距离，定义其初始值和定义域。
（2）确定电动汽车最佳样机模型
以电动汽车整车参数化样机模型为基础，通过同一子模块但不同装配位置的各底盘子模块的自由组合，构建出具有相同底盘子模块但不同结构尺寸、不同装配位置的电动汽车样机模型；在相同的车辆载荷、车速，不同的路面附着系数下对比分析样机模型在转向、制动工况下的动力学特性，从而确定电动汽车最佳样机模型。
电动汽车样机模型的各子模块构成划分如下：
序号 子模块名称 子模块代号 结构类型
1 制动系统 Brake system 电机子系统与液压子系统
2 悬架系统 Suspension 麦弗逊悬架系统
3 转向系统 Steer system 多连杆转向机构
4 动力电池系统 Batter 动力电池模块
5 车身系统 Body 车身模块
（3）动力学测试
基于汽车动力学理论，利用电动汽车最佳样机模型，采用鱼钩和双移线等仿真环境，制动工况下，测试电动汽车的动力学特征。测试参数如下：
序号 测试参数
1 制动侧滑
2 车身横摆角速度
3 车身侧向加速度
4 质心侧偏角
2. 电动汽车滑板式电池包优化模型构建
（1）优化目标的构建
以电动汽车动力学的测试参数为优化目标，包括制动侧滑、车身横摆角速度、车身侧向加速度、质心侧偏角。设计变量包括可控变量：滑板式电池包的结构尺寸及其装配位置，和不可控变量：滑板式电池包的结构尺寸误差及其装配位置误差、悬架系统的装配位置误差，约束条件包含电动汽车通过性及其电动汽车底盘装配空间的尺寸限制。
对于优化模型的可控变量，如动力电池的结构尺寸等，记作X=[x 1，x 2，x 3，…]；不可控变量，如电池包的装配位置误差等，记作Z=[z 1，z 2，z 3，…]；总的优化目标记作F（X，Z）=[f 1(X，Z)，f 2(X，Z)， f 3(X，Z)，f 4(X，Z)]=[ J 1，J 2，J 3，J 4]。
每个优化目标有其自身的权重系数，因此，总的优化目标J转化为
Figure 91183DEST_PATH_IMAGE001
其中，ω 1、ω 2、ω 3、ω 4为权重系数，J 1为制动侧滑，J 2为车身横摆角速度质心侧偏角，J 3为车身侧向加速度，J 4为质心侧偏角。
各个优化目标代表不同用户群体的偏好，因此权重系数值采用权重比方式确定。权重比方式采用配对比较的方法，两两比较评价指标之间的重要性，并依据重要程度设计配对比较矩阵。例如，有n个目标K 1，K 2，…，K n的多目标优化，对这n个目标存在一组重要性的权重比，分别为r 1，r 2，…，r n，两两比较出各优化目标的重要性比值，建立矩阵K，将K乘以一个权重比构成的向量a =
Figure 352531DEST_PATH_IMAGE002
，如下式
Figure 335531DEST_PATH_IMAGE003
矩阵K最大特征值所对应的特征向量即为电动汽车滑板式电池包优化模型中各个优化目标的权重系数值。
（2）基于响应面法的近似函数构建
基于汽车动力学理论，利用电动汽车最佳样机模型，综合考虑不同路面附着系数的电动汽车在制动、转向工况下的动力学特征，测试优化目标：制动侧滑、车身横摆角速度、车身侧向加速度、质心侧偏角的数值，并以此建立基于响应面法的各个优化目标的近似函数，作为每个优化目标的函数。
响应面法如下式所示：
Figure 324215DEST_PATH_IMAGE004
式中，y为优化目标的近似函数，x i 和 x p 为设计变量；p, i= 1，2，…；ε-误差；各类β-响应面的系数。
3. 稳健优化设计
（1）误差分析
采用正交实验方法，分析研究滑板式电池包的结构尺寸参数及其装配位置参数、悬架系统装配位置参数及其误差对各个优化目标的影响，并应用蒙特卡洛方法得到主影响因素和次影响因素，从而确定滑板式电池包结构尺寸精度及其装配位置精度、悬架系统装配位置精度，同时删除次影响因素，简化滑板式电池包优化模型的设计变量。
对于主影响因素提高其结构尺寸精度或者装配位置精度，对于次影响因素降低其结构尺寸精度或者装配位置精度。
（2）整体偏好集合函数
以个体偏好函数方法确定电动汽车滑板式电池包结构尺寸及其装配位置、悬架系统装配位置的表达方式，应用整体偏好集合函数，将不同的个体聚合偏好函数集成到整体偏好集合函数，同时考虑目标函数的均值和方差的变化，求解滑板式电池包的稳健优化结果。
个体偏好函数可以参考汽车性能定义，也可以按照设计者或者用户的偏好定义。
对于按照设计者或者用户的偏好定义，可以将各类个体偏好函数的值域定义在[0，1]范围内。值为1表示性能最好，值为0表示性能最差。
对于以汽车性能为基础的个体偏好函数的值域定义可以采用如下方法：
例如，对于可控变量-动力电池的厚度x 1，按照电池芯的数量和装配空间的约束，其定义域为x 1=[200，300] mm,；根据汽车通过性的要求，最佳厚度x 1 应小于或等于240mm，因此其个体性能偏好a 1确定如下：
Figure 404167DEST_PATH_IMAGE005
同一类型的个体偏好函数通过下式聚合，构成个体聚合偏好函数。
Figure 268041DEST_PATH_IMAGE006
式中，P 1为个体聚合偏好函数，a 1、…，为同一类型变量的个体偏好函数，如可控变量的个体偏好函数，ω a1、…，为权重系数的偏好，权重系数的偏好和为1。权重偏好也可以按照用户要求设定。
应用整体偏好集合函数Q，将不同的个体聚合偏好函数集成，如下：
Figure 738337DEST_PATH_IMAGE007
式中，P 1、P 2、P 3分别是可控变量的个体聚合偏好函数、不可控变量的个体聚合偏好函数以及各个优化目标的个体聚合偏好函数；ω p1、…是权重系数。
电动汽车滑板式电池包的稳健优化结果F用下式求解
Figure 202816DEST_PATH_IMAGE008
式中，μ Q 为整体偏好集合函数Q的均值，σ Q 为整体偏好集合函数Q的方差，ω为权重系数。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (2)

1.一种电动汽车滑板式电池包优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，整车参数化样机模型的构建，首先定义电动汽车整车基本参数、电动汽车底盘子模块的装配位置参数、电动汽车的运行参数的初始值和定义域，包括：整车的轴距、轮距、转向梯形底角，悬架系统、动力电池的装配位置，车辆载荷，最终建立包括悬架系统、转向系统、制动系统、动力电池系统、车身系统的电动汽车整车参数化样机模型；
第二步，确定电动汽车最佳样机模型，以电动汽车整车参数化样机模型为基础，构建出具有相同底盘子模块但不同结构尺寸、不同装配位置的电动汽车样机模型，在相同的车辆载荷、车速，不同的路面附着系数下对比分析样机模型在转向、制动工况下的动力学特性，从而确定电动汽车最佳样机模型；
第三步，电动汽车滑板式电池包优化模型构建，以电动汽车动力学的测试参数为优化目标，包括制动侧滑、车身横摆角速度、车身侧向加速度、质心侧偏角，设计变量包括可控变量：滑板式电池包的结构尺寸及其装配位置，和不可控变量：滑板式电池包的结构尺寸误差及其装配位置误差、悬架系统的装配位置误差，约束条件包含电动汽车通过性及其电动汽车底盘装配空间的尺寸限制；
第四步，基于响应面法的近似函数构建，基于汽车动力学理论，利用电动汽车最佳样机模型，综合考虑不同路面附着系数的电动汽车在制动工况下的动力学特征，测试优化目标：制动侧滑、车身横摆角速度、车身侧向加速度、质心侧偏角的数值，并以此为基础建立基于响应面法的各个优化目标的近似函数，作为每个优化目标的函数；
第五步，误差分析，采用正交实验方法，分析研究滑板式电池包的结构尺寸参数及其装配位置参数、悬架系统装配位置参数及其误差对各个优化目标的影响，并应用蒙特卡洛方法得到主影响因素和次影响因素，从而确定滑板式电池包结构尺寸精度及其装配位置精度、悬架系统装配位置精度，同时删除次影响因素，简化滑板式电池包优化模型的设计变量；
第六步，整体偏好集合函数，以个体偏好函数方法确定电动汽车滑板式电池包结构尺寸及其装配位置、悬架系统装配位置的表达方式，应用整体偏好集合函数，将不同的个体聚合偏好函数集成到整体偏好集合函数，同时考虑目标函数的均值和方差的变化，求解滑板式电池包的稳健优化结果。
2.按照权利要求1所述的一种电动汽车滑板式电池包优化方法，其特征在于，对于主影响因素提高其结构尺寸精度或者装配位置精度，对于次影响因素降低其结构尺寸精度或者装配位置精度。
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CN113682317A (zh) * 2021-03-05 2021-11-23 天津职业技术师范大学(中国职业培训指导教师进修中心) 一种电动汽车横向稳定性预测方法

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