基于多目標(biāo)優(yōu)化的純電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)優(yōu)化領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的純電動(dòng)車 動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 新型動(dòng)力汽車在節(jié)省化石燃料和減少溫室氣體方面表現(xiàn)出極大的潛力，是應(yīng)對(duì)能 源和環(huán)境危機(jī)的解決方案之一。新型動(dòng)力系統(tǒng)有3種系統(tǒng)構(gòu)型：純電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)、混合動(dòng)力 系統(tǒng)和燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)。對(duì)于特定的系統(tǒng)構(gòu)型，其節(jié)能與減排潛力取決于設(shè)計(jì)階段的系 統(tǒng)參數(shù)匹配和運(yùn)行階段的控制策略設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。純電動(dòng)車只有唯一的能量源(動(dòng)力電池） 和唯一的動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電機(jī)），運(yùn)行階段的驅(qū)動(dòng)策略和制動(dòng)回饋策略相對(duì)固定，因此設(shè)計(jì) 階段的參數(shù)匹配對(duì)純電動(dòng)車意義更加顯著。
[0003] 對(duì)特定電機(jī)A或電機(jī)B來說，可行域S中任意優(yōu)化變量向量均滿足最低性能指標(biāo)要 求。但單項(xiàng)指標(biāo)通常不是都"恰好"滿足指標(biāo)，而是大多指標(biāo)會(huì)不同程度地超出最低指標(biāo)。已 有的參數(shù)匹配研究通常不比較可行方案之間的優(yōu)劣，即不討論超出最低指標(biāo)的這部分整車 指標(biāo)的優(yōu)化問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是實(shí)現(xiàn)一種能夠提供純電動(dòng)汽車電機(jī)工作效率、有效 降低能耗的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:基于多目標(biāo)優(yōu)化的純電動(dòng)車動(dòng)力 系統(tǒng)參數(shù)匹配方法，設(shè)定可優(yōu)化指標(biāo)包括最高車速、加速性能、電耗;參數(shù)匹配最優(yōu)化問題 表達(dá)為:J=(最高車速，加速性能，電耗），其中J是最高車速、加速性能、電耗組成的優(yōu)化目 標(biāo)向量；以傳動(dòng)比為優(yōu)化變量，在特定電機(jī)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)化問題中，以整車性能最低指標(biāo)作 為約束條件確定優(yōu)化變量的可行域;在可行域中，對(duì)可優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，求解出備 選方案集;綜合比較不同電機(jī)的備選方案，確定最終的參數(shù)匹配方案。
[0006] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于該方法以最高車速、加速時(shí)間和100km電耗等多個(gè)整車性能指 標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，以傳動(dòng)比為優(yōu)化變量建立參數(shù)匹配優(yōu)化模型;再以該車型的最基本性能 指標(biāo)作為約束條件得到傳動(dòng)比的可行域，在可行域中采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)優(yōu)化問題進(jìn)行 求解;求出固定傳動(dòng)比變速器和兩擋變速器兩種情況下的Pareto最優(yōu)解集，作為備選方案 集;綜合對(duì)比不同電機(jī)的備選方案集，確定最終的參數(shù)匹配方案，并進(jìn)行樣車的開發(fā)。
【附圖說明】
[0007] 下面對(duì)本發(fā)明說明書中每幅附圖表達(dá)的內(nèi)容作簡(jiǎn)要說明：
[0008] 圖1為純電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)；
[0009] 圖2為參數(shù)匹配問題的研究框架。
【具體實(shí)施方式】
[0010]本發(fā)明以最高車速、加速時(shí)間和100km電耗等多個(gè)整車性能指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，以 傳動(dòng)比為優(yōu)化變量建立參數(shù)匹配優(yōu)化模型;再以該車型的最基本性能指標(biāo)作為約束條件得 到傳動(dòng)比的可行域，在可行域中采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)優(yōu)化問題進(jìn)行求解;求出固定傳動(dòng) 比變速器和兩擋變速器兩種情況下的Pareto最優(yōu)解集，作為備選方案集;綜合對(duì)比不同電 機(jī)的備選方案集，確定最終的參數(shù)匹配方案，并進(jìn)行樣車的開發(fā)。
[0011]純電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)具有唯一的能量源和動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單（圖1)。參數(shù) 匹配針對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)進(jìn)行，包括動(dòng)力電池、電機(jī)和變速器。
[0012] 動(dòng)力電池的待優(yōu)化參數(shù)包括電池單體的類型和數(shù)量;變速器待優(yōu)化的參數(shù)主要是 傳動(dòng)比；電機(jī)的待優(yōu)化參數(shù)包括最大轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩、最高轉(zhuǎn)速和最大功率等。由于電機(jī)的 設(shè)計(jì)、開發(fā)和生產(chǎn)需要一定周期，故在參數(shù)匹配過程中通常只能選擇一種參數(shù)組合（即某種 型號(hào)電機(jī)）。針對(duì)參數(shù)匹配問題的這一特點(diǎn)，確立了研究框架，如圖2所示。首先以傳動(dòng)比為 優(yōu)化變量，針對(duì)多個(gè)可選電機(jī)構(gòu)造優(yōu)化模型;然后在特定電機(jī)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)化問題中，以整 車性能最低指標(biāo)作為約束條件確定優(yōu)化變量的可行域;再在可行域中，對(duì)可優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行 多目標(biāo)優(yōu)化，求解出備選方案集;最后綜合比較不同電機(jī)的備選方案，確定最終的參數(shù)匹配 方案。
[0013] 針對(duì)電機(jī)A或B的參數(shù)匹配最優(yōu)化問題表達(dá)為
[0014]
(1)
[0015]式中：j是p個(gè)可優(yōu)化指標(biāo)U，...，jp，組成的優(yōu)化目標(biāo)向量；ig是優(yōu)化變量向量， 對(duì)固定傳動(dòng)比變速器來說，ig僅有1個(gè)優(yōu)化變量，即傳動(dòng)比ig，對(duì)應(yīng)的是單變量多目標(biāo)最優(yōu)化 問題，對(duì)兩擋變速器來說，i g對(duì)應(yīng)2個(gè)優(yōu)化變量，由I擋與II擋傳動(dòng)比[i g, i，ig, 2 ]組成，對(duì)應(yīng)的 是多變量多目標(biāo)最優(yōu)化問題;S是由最低性能指標(biāo)約束的優(yōu)化變量的可行域。
[0016] 可優(yōu)化指標(biāo)J有3個(gè)顯著的特點(diǎn)：（1)由于對(duì)車型定位與對(duì)市場(chǎng)理解的差異，不同的 設(shè)計(jì)者對(duì)可優(yōu)化指標(biāo)的選擇可能差異很大；（2)多個(gè)可優(yōu)化指標(biāo)之間往往是互相矛盾的，難 以同時(shí)達(dá)到最優(yōu)；（3)多個(gè)可優(yōu)化指標(biāo)之間難以比較，因而難以通過加權(quán)的方式轉(zhuǎn)化成單目 標(biāo)最優(yōu)化問題。
[0017] 對(duì)于可行解?當(dāng)在可行域S內(nèi)不存在另外一個(gè)可行解h使得如下不等式成立時(shí)：
[0019 ] 則稱&是式⑴最優(yōu)化問題的Par e t 〇最優(yōu)解。
[0018] (2)
[0020] 可優(yōu)化指標(biāo)間通常是互相矛盾的，因此相應(yīng)的最優(yōu)化問題通常不存在使所有優(yōu)化 目標(biāo)都達(dá)到最優(yōu)的解，而只存在Pareto。最優(yōu)解。對(duì)Pareto最優(yōu)解所實(shí)現(xiàn)的性能指標(biāo)中的任 意單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，都必然要降低其它若干個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)。因此，Pareto最優(yōu)解集適合作 為備選方案集。
[0021] Pareto最優(yōu)解集所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)集通常被稱為Pareto front。對(duì)參數(shù)匹配問題 來說，Pareto front描述了多個(gè)可優(yōu)化指標(biāo)之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。
[0022] 最低性能指標(biāo)約束下的傳動(dòng)比可行域.
[0023] 最低性能指標(biāo)是指參數(shù)匹配方案必須達(dá)到的性能指標(biāo)，分為動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè) 方面。動(dòng)力性指標(biāo)包括最高車速、爬坡性能和加速性能，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)包括續(xù)航里程與l〇〇km 電耗。
[0024] 針對(duì)特定電機(jī)，最低性能指標(biāo)所約束的傳動(dòng)比可行域求解與已有研究中參數(shù)匹配 方法相似主要通過車輛縱向動(dòng)力學(xué)方程來考察：
陶] ⑶
[0026]
[0027]式中:Fd為驅(qū)動(dòng)力;CD為空氣阻力系數(shù);A為車輛迎風(fēng)面積;P為空氣密度;v為車速;α 為坡度角;mi為考慮旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的電動(dòng)汽車試驗(yàn)質(zhì)量;δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)m2為根據(jù)所確定 的電動(dòng)汽車試驗(yàn)質(zhì)量，它是整備質(zhì)量m v與試驗(yàn)附加質(zhì)量nkap之和，mv包括電池質(zhì)量。
[0028] 在參數(shù)匹配過程中，電池質(zhì)量事先設(shè)定一個(gè)基本值，匹配完成之后再驗(yàn)證設(shè)定值 的合理性。
[0029]式(3)的車輛動(dòng)力學(xué)方程通常表達(dá)為F-v圖，而系統(tǒng)匹配過程中，通過電機(jī)的T-n圖 表達(dá)則更為方便。為此須做如下變換：
[0030] (6)
[0031] 式中：Tm為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；idPig分別為主減速比和變速器減速比;ητ為傳動(dòng)系統(tǒng) 的傳動(dòng)效率;R為車輪滾動(dòng)半徑，m; η為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。
[0032] 電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩曲線和額定轉(zhuǎn)矩曲線函數(shù)：
[0033] Tmax = Tmax(n) (7)
[0034] Trate = Trate(n) (8)
[0035] 最高車速指標(biāo)和爬坡性能指標(biāo)
[0036] 通過不同的坡度判定相應(yīng)的(v，a)組合是否在電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩或額定轉(zhuǎn)速約束與轉(zhuǎn) 速約束的范圍內(nèi)，就可以確定是否能達(dá)到爬坡性能指標(biāo)。爬坡性能指標(biāo)對(duì)傳動(dòng)比的約束可 解析表達(dá)為
[0037]
(9)
[0038] 式中：（Vciimb，aclimb)為爬坡性能指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的車速/坡度組合; nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn) 速，電機(jī)A和B 的 nmax = 7600r/min〇
[0039] 最高性能指標(biāo)的考察方法與之類似，是坡度a = 0的特例。不同的是，在考察最高車 速性能指標(biāo)時(shí)，轉(zhuǎn)矩約束條件使用的是電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩而非最大轉(zhuǎn)矩。因此，最高車速性能指 標(biāo)對(duì)傳動(dòng)比的約束條件
[0040] 可表達(dá)為
[0041] (10)
[0042] 式中