基于iSIGHT的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配優(yōu)化

尹安東， 楊 峰， 江 昊

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

由于環(huán)境污染、能源匱乏等問題日益嚴(yán)重，電動(dòng)汽車正受到越來越廣泛的關(guān)注。但目前動(dòng)力電池的一些關(guān)鍵性技術(shù)還沒有取得有效的突破，制約了電動(dòng)汽車的發(fā)展和普及。

因此，在動(dòng)力電池關(guān)鍵技術(shù)解決之前，對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系部件的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行匹配以及優(yōu)化尤為重要［1－2］。純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系部件的設(shè)計(jì)參數(shù)，如電機(jī)功率、動(dòng)力電池的容量和傳動(dòng)系的傳動(dòng)比等，對(duì)電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等有顯著的影響。

本文以某款新開發(fā)的純電動(dòng)汽車為例，研究并驗(yàn)證動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法的可行性。

1 純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

1.1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)有很多種形式，主要有單電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式、雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式及輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式等［3］。不同驅(qū)動(dòng)方式有不同的布置和傳動(dòng)系結(jié)構(gòu)。

本文設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車采用了單電機(jī)前置前驅(qū)方式，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、傳動(dòng)系和控制系統(tǒng)等部分。該款純電動(dòng)汽車保留了原車型的部分傳動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力電池系統(tǒng)在控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制下，實(shí)現(xiàn)整車驅(qū)動(dòng)、再生制動(dòng)和能源合理分配等功能。圖1所示為純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 純電動(dòng)汽車主要技術(shù)要求

純電動(dòng)汽車是一款前置前驅(qū)可外接220V電壓的插電式純電動(dòng)汽車，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是唯一的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1所列。

表1 純電動(dòng)汽車主要技術(shù)指標(biāo)

2 純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配

通常以設(shè)計(jì)的最高車速來初步選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率，選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率應(yīng)不小于在平坦良好路面上車輛最高車速行駛時(shí)的阻力功率之和［4］。

（1）以最高車速確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率，即

其中，Pe為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率；ηT為傳動(dòng)系效率，取0.9；Mg為滿載質(zhì)量；f為滾動(dòng)摩擦系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為車輛迎風(fēng)面積；vmax為最高車速。

（2）以最大爬坡度確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率，即

其中，P為驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率；vn為常規(guī)車速。

2.2 傳動(dòng)系速比確定

傳動(dòng)系速比確定必須遵守以下原則：① 保證實(shí)現(xiàn)預(yù)期的最高車速；② 保證汽車的最大爬坡度要求；③ 以常規(guī)車速行駛時(shí)，盡可能保證電機(jī)工作在高效率區(qū)；④ 保證電機(jī)既能在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提供較高的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，又能在恒功率區(qū)提供較高的運(yùn)行速度［5－6］。

設(shè)傳動(dòng)系的總傳動(dòng)比為i，變速器傳動(dòng)比為ig，Ⅰ擋傳動(dòng)比為ig1，Ⅱ擋傳動(dòng)比為ig2，主減速比為i0，則有i＝igi0。欲滿足最高設(shè)計(jì)車速要求，傳動(dòng)系總傳動(dòng)比為：

其中，vmax為最高車速；r為輪胎滾動(dòng)半徑；nmax為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。

為保證最大爬坡度，根據(jù)汽車?yán)碚摽芍?/p>

其中，αmax為最大爬坡度；Tmax為驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大扭矩；va為爬坡時(shí)的穩(wěn)定車速。

另外，在汽車行駛過程中為了防止車輪打滑，最大驅(qū)動(dòng)力不能大于驅(qū)動(dòng)輪與路面之間的附著力，即

其中，imax為最大傳動(dòng)比；Fz為地面對(duì)車輪的法向反作用力；φ為地面附著系數(shù)。

根據(jù)表1中主要技術(shù)指標(biāo)，并按（1）～（5）式反復(fù)試算，得到匹配結(jié)果，見表2所列。

表2 純電動(dòng)汽車參數(shù)匹配

3 純電動(dòng)汽車傳動(dòng)比參數(shù)優(yōu)化

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池確定之后，選擇不同的傳動(dòng)比將具有不同的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，因此，必須對(duì)傳動(dòng)系速比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系速比優(yōu)化是一個(gè)多目標(biāo)、多變量的優(yōu)化問題。遺傳算法是將生物進(jìn)化的原理與最優(yōu)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來的一種全新優(yōu)化方法，是解決這類多目標(biāo)、多變量參數(shù)優(yōu)化問題的有效方法［7－8］。因此，本文應(yīng)用CRUISE軟件進(jìn)行仿真，基于iSIGHT軟件利用遺傳算法進(jìn)行傳動(dòng)系速比優(yōu)化。

3.1 建立CRUISE與iSIGHT集成優(yōu)化模型

CRUISE軟件可以用于車輛的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及排放性能的仿真，其模塊化的建模理念使得用戶可以便捷地搭建不同布置結(jié)構(gòu)的車輛模型，其復(fù)雜完善的求解器可以確保計(jì)算速度。在CRUISE平臺(tái)上搭建純電動(dòng)汽車主要部件及整車仿真模型［9］，如圖2所示。

利用iSIGHT提供的與多種軟件集成仿真的接口程序，建立CRUISE／iSIGHT集成優(yōu)化模型，如圖3所示。

圖2 純電動(dòng)汽車整車仿真模型

圖3 CRUISE／iSIGHT集成優(yōu)化模型

3.2 建立目標(biāo)函數(shù)

建立多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)的處理方法可分為權(quán)重系數(shù)法和并列選擇法。由于多目標(biāo)函數(shù)之間的單目標(biāo)函數(shù)往往相互矛盾，權(quán)重系數(shù)法是在某種程度上估計(jì)出每個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)取值（或期望目標(biāo)值），然后按照設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，將多目標(biāo)函數(shù)分別賦予相應(yīng)的權(quán)重，使其轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題。并列選擇法是將多目標(biāo)函數(shù)中的單目標(biāo)函數(shù)權(quán)重在優(yōu)化過程中不斷更新，最終求出多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)的pareto最優(yōu)解，從而克服了由權(quán)重系數(shù)法建立多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)時(shí)憑經(jīng)驗(yàn)確定加權(quán)因子的缺陷。本文選擇加速時(shí)間、最高車速、最大爬坡度、百公里能量消耗為目標(biāo)函數(shù)［10－11］。采用并列選擇法建立目標(biāo)函數(shù)，其基本思想是在可行域內(nèi)尋找解集，使相互矛盾的目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小，因此需要對(duì)最高車速及最大爬坡度等進(jìn)行倒數(shù)處理，目標(biāo)函數(shù)表達(dá)為：

其中，X為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，X＝ ［i0，ig1，ig2］T；F（·）為描述設(shè)計(jì)目標(biāo)的多目標(biāo)函數(shù)；Fec（X）、Ft（X）、Fi（X）和Fv（X）分別為能量消耗、加速時(shí)間、最大爬坡度和最高車速的單目標(biāo)函數(shù)。

3.3 設(shè)置約束條件

約束條件包括能量消耗約束、動(dòng)力性約束和傳動(dòng)比約束。

3.3.1 整車基本性能約束

整車基本性能約束分為百公里能量消耗約束與動(dòng)力性約束，動(dòng)力性約束又包括加速時(shí)間約束、最大爬坡度約束及最高車速約束［8］。

（1）能量消耗約束為：

（2）加速時(shí)間約束為：

（3）最大爬坡度約束為：

（4）最高車速約束為：

3.3.2 傳動(dòng)速比約束

為了保證最高設(shè)計(jì)車速和最大設(shè)計(jì)爬坡度，采用2擋變速器，Ⅰ擋傳動(dòng)比決定了汽車的最大爬坡能力，Ⅱ擋傳動(dòng)比則決定了汽車的最高車速。因此，傳動(dòng)系在Ⅰ擋時(shí)總傳動(dòng)比要滿足（4）式要求，以保證最大爬坡度；在Ⅱ擋時(shí)總傳動(dòng)比要滿足（3）式要求，以保證最高車速。

在傳統(tǒng)汽車上傳動(dòng)系速比選擇時(shí)，考慮到相鄰2擋傳動(dòng)比比值過大會(huì)造成換擋困難［12］，一般不宜大于1.7～1.8。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的快速響應(yīng)特性可以克服傳動(dòng)比比值較大造成的換擋困難，通過控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速能夠?qū)崿F(xiàn)快速平順換擋［13］。

3.4 基于iSIGHT的傳動(dòng)系速比優(yōu)化

根據(jù)所設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車主要技術(shù)指標(biāo)和動(dòng)力傳動(dòng)系參數(shù)初步匹配結(jié)果，采用NEDC循環(huán)工況，如圖4所示。啟動(dòng)并運(yùn)行CRUISE／iSIGHT集成優(yōu)化模型，并基于遺傳算法通過多次迭代運(yùn)行直至收斂，各變量尋優(yōu)過程如圖5所示。優(yōu)化結(jié)果為：Ⅰ擋傳動(dòng)比2.1，Ⅱ擋傳動(dòng)比1.5，主減速器傳動(dòng)比3.5。

圖4 NEDC循環(huán)工況

圖5 各變量尋優(yōu)過程

圖5a為最大爬坡度尋優(yōu)過程；圖5b為能量消耗尋優(yōu)過程；圖5c為主減速器速比尋優(yōu)過程；圖5d為Ⅰ擋速比尋優(yōu)過程；圖5e為Ⅱ擋速比尋優(yōu)過程；圖5f為加速時(shí)間尋優(yōu)過程；圖5g為最高車速尋優(yōu)過程。

4 純電動(dòng)汽車優(yōu)化前后仿真分析

4.1 優(yōu)化前后驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性仿真分析

根據(jù)優(yōu)化前后純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系傳動(dòng)比結(jié)果修改CRUISE模型參數(shù)，基于NEDC循環(huán)工況進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化前后驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性變化曲線如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可見，優(yōu)化后在NEDC工況下運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩趨于合理，驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性明顯好轉(zhuǎn)，從而提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率和使用壽命。

圖6 優(yōu)化前后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖7 優(yōu)化前后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化曲線

4.2 優(yōu)化前后整車性能仿真分析

根據(jù)純電動(dòng)汽車主要技術(shù)指標(biāo)和優(yōu)化前后的動(dòng)力傳動(dòng)系參數(shù)匹配結(jié)果，采用NEDC循環(huán)工況，基于純電動(dòng)汽車整車仿真模型進(jìn)行整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真，仿真結(jié)果比較見表3所列。

表3 優(yōu)化前后整車性能仿真結(jié)果比較

5 結(jié) 論

（1）優(yōu)化后加速性能和最大爬坡度比優(yōu)化前略有下降，最高車速比優(yōu)化前略有提高，但各項(xiàng)動(dòng)力性指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）優(yōu)化后驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性比優(yōu)化前有明顯改善，百公里能量消耗比優(yōu)化前降低10.4%。

因此，選用的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配方法及基于遺傳算法的傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化方法較為合理可行。

［1］姬芬竹，高 峰，吳志新.電動(dòng)汽車傳動(dòng)系參數(shù)設(shè)計(jì)及動(dòng)力性仿真［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32（1）：108－111.

［2］尹安東，趙 韓.混合動(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)綜合參數(shù)正交優(yōu)化與應(yīng)用［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，33（3）：341－345.

［3］王立國.純電動(dòng)客車動(dòng)力總成控制策略研究［D］.吉林：吉林大學(xué)，2009.

［4］郭孔輝，姜 輝，張建偉.電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配及優(yōu)化［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（16）：3892－3896.

［5］Wootaik L，Daeho C，Myoungho S.Modeling and simulation of vehicle electric power system［J］.Journal of Power Sources，2002（109）：58－66.

［6］余志生，夏群生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：1－88.

［7］雷英杰，張善文，李續(xù)武，等.遺傳算法工具箱及應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005：62－121.

［8］秦大同，周保華，胡明輝，等.兩檔電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34（1）：1－6.

［9］王少凱.基于Cruise軟件的純電動(dòng)城市客車的建模與仿真［J］.車輛與動(dòng)力技術(shù)，2011（2）：10－12.

［10］鄧亞東，連志偉.并聯(lián)型混合動(dòng)力牽引車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與優(yōu)化［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

［11］胡 峰.基于遺傳算法的汽車動(dòng)力傳動(dòng)系參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

［12］王望予.汽車設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：78－113.

［13］肖志曾.純電動(dòng)汽車AMT換擋規(guī)律研究［D］.北京：北京理工大學(xué)，2006.