基于純電動(dòng)車(chē)電機(jī)能耗的主減速比優(yōu)化方法研究

龔定旺

摘要：針對(duì)常用的電動(dòng)汽車(chē)主減速比設(shè)計(jì)方法沒(méi)有考慮電機(jī)效率特性，導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)能耗難以下降的問(wèn)題，在分析了主減速比與電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)能耗的關(guān)系的基礎(chǔ)上，以純電動(dòng)車(chē)（Pure Electric Car，以下簡(jiǎn)稱(chēng)PEC）為研究對(duì)象，提出基于電機(jī)能耗的PEC主減速比優(yōu)化方法，通過(guò)遺傳算法對(duì)主減速比進(jìn)行優(yōu)化求解，得到使電機(jī)能耗最低的最優(yōu)主減速比。為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果，在AVL cruise中建立整車(chē)仿真模型，進(jìn)行能耗經(jīng)濟(jì)性仿真。仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化后的PEC與原PEC相比，電機(jī)效率提高了2.71%，能耗降低了11.40%，續(xù)駛里程增加了11.11%。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)車(chē);主減速比;優(yōu)化設(shè)計(jì);遺傳算法

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

純電動(dòng)汽車(chē)具有零排放和不依賴(lài)化石燃料的優(yōu)點(diǎn)，是汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展方向。但是電能量消耗大、續(xù)駛里程短等問(wèn)題制約了電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。因此減少電動(dòng)汽車(chē)能量消耗是電動(dòng)汽車(chē)研究的核心，其中電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系參數(shù)是影響其能量消耗的關(guān)鍵因素之一[1]，因此，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系的參數(shù)進(jìn)行匹配優(yōu)化，是當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)研究的重點(diǎn)之一。

汽車(chē)主減速器傳動(dòng)比 （簡(jiǎn)稱(chēng)主減速比）是傳動(dòng)系的重要參數(shù)，目前電動(dòng)汽車(chē)主減速比的設(shè)計(jì)一般是參照同級(jí)內(nèi)燃機(jī)車(chē)型進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，沒(méi)有考慮到內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)高效率區(qū)域的差異，難以充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的高效特性，使得電動(dòng)汽車(chē)能耗難以下降。為此，以某款純電動(dòng)車(chē)（簡(jiǎn)稱(chēng)PEC）為對(duì)象，研究基于電機(jī)能耗的PEC主減速比優(yōu)化方法，目的是在變速器傳動(dòng)比一定的條件下，通過(guò)優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)出合理的 ，使電動(dòng)機(jī)工作在高效率區(qū)域，達(dá)到提高電機(jī)的效率和降低PEC能耗的目的。

1 基于純電動(dòng)車(chē)電機(jī)能耗的主減速比優(yōu)化方法

1.1 汽車(chē)主減速比與能耗經(jīng)濟(jì)性關(guān)系分析

汽車(chē)傳動(dòng)系主要由主減速器、變速器和差速器等組成，其功能是將動(dòng)力源發(fā)出的動(dòng)力傳遞給車(chē)輪，通過(guò)主減速器的減速增矩，以及變速器擴(kuò)大轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化范圍，保證汽車(chē)在不同使用條件下具有良好的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。描述汽車(chē)傳動(dòng)系主要參數(shù)有總傳動(dòng)比和變速器擋位，其中，總傳動(dòng)比是主減速比 與變速器傳動(dòng)比 的乘積。在行駛工況確定的情況下， 與 共同決定了動(dòng)力源的工作點(diǎn)，從而影響其工作效率及能耗[2]。

然而，在 一定的情況下， 對(duì)不同動(dòng)力源汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的作用規(guī)律不一樣。文獻(xiàn)可知，隨著 增大，內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的加速時(shí)間減小，動(dòng)力性提高，但燃油經(jīng)濟(jì)性變差;而隨著 增大，電動(dòng)汽車(chē)的加速時(shí)間減小，動(dòng)力性提高，而且能耗經(jīng)濟(jì)性同時(shí)提高。這說(shuō)明在 一定的條件下，由于內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)工作效率特性不同， 對(duì)內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的作用規(guī)律不一樣。

因此，有必要研究電動(dòng)汽車(chē) 與電機(jī)能耗的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上對(duì)電動(dòng)汽車(chē) 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 電動(dòng)汽車(chē)主減速比與電機(jī)能耗的關(guān)系

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)，當(dāng)循環(huán)工況給定時(shí)，其每一時(shí)刻的需求車(chē)速 就已確定，

在 不變的情況下，電機(jī)工作點(diǎn) 與 之間可通過(guò) 來(lái)建立一定的函數(shù)關(guān)系;同時(shí) 直接影響電機(jī)效率 和功率 ，即當(dāng)循環(huán)工況給定和 一定時(shí)，由此可推出電動(dòng)汽車(chē)的能耗 大小將由 來(lái)決定[3]。

1.3 優(yōu)化方法

為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)降低能耗的目標(biāo)，根據(jù)電動(dòng)汽車(chē) 與 的關(guān)系，提出基于電機(jī)能耗的電動(dòng)車(chē)主減速比優(yōu)化方法，其基本思路是：在一定工況下，根據(jù) 與 的函數(shù)關(guān)系，由每一個(gè) 都可計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的 ，為了得到使 最低的 ，以最小的 作為目標(biāo)函數(shù)，以電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性要求 作為約束條件，對(duì) 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，求出使 為最小的主減速比 。

由文獻(xiàn)可知，在 為8.0～8.2的范圍內(nèi)，隨著 的增加， 呈多峰起伏變化，這主要是由于 與 之間存在高度非線性關(guān)系所致。若使用常用的優(yōu)化算法對(duì)其求解，容易收斂于局部最優(yōu)解，從而導(dǎo)致難以獲得全局最優(yōu)解 。

基于電機(jī)能耗的PEC主減速比優(yōu)化遺傳算法的具體求解過(guò)程如下：

1）首先在 的約束范圍內(nèi)隨機(jī)生成一組個(gè)體構(gòu)成初始群體;

2）根據(jù)公式，對(duì)群體中的每個(gè)個(gè)體（ ）進(jìn)行適應(yīng)度計(jì)算，并判斷算法收斂準(zhǔn)則是否滿足，若滿足則輸出搜索結(jié)果，即使 最低的 值，否則進(jìn)行下一步;

3）根據(jù)個(gè)體適應(yīng)度計(jì)算每個(gè)個(gè)體被選擇的概率，采用適應(yīng)度比例選擇法按優(yōu)勝劣汰的原則進(jìn)行選擇運(yùn)算;

4）對(duì)當(dāng)前群體中的個(gè)體采用算術(shù)交叉和均勻變異進(jìn)行交叉和變異運(yùn)算，產(chǎn)生新的個(gè)體，從而產(chǎn)生下一代群體;

5）返回第2步。

其中，第2步中的收斂準(zhǔn)則為設(shè)定的遺傳代數(shù)，當(dāng)遺傳算法運(yùn)算到設(shè)定的遺傳代數(shù)時(shí)，將此時(shí)群體中具有最大適應(yīng)度的個(gè)體作為最優(yōu)解輸出，并終止計(jì)算[4]。

2 基于電機(jī)能耗的純電動(dòng)車(chē)主減速比優(yōu)化仿真分析

以某款PEC為對(duì)象，運(yùn)用基于電機(jī)能耗的純電動(dòng)車(chē)主減速比優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)PEC的主減速比進(jìn)行設(shè)計(jì)。整車(chē)滿載質(zhì)量16500Kg，空氣阻力系數(shù)0.8，迎風(fēng)面積5.8平方米，變速器速比6.9/4.13/2.47/1.49/1，

輪胎滾動(dòng)半徑r為0.517m，動(dòng)力電池總能量92.6kWh。

2.1 PEC主減速比優(yōu)化

根據(jù)整車(chē)主要參數(shù)及上節(jié)的優(yōu)化方法，在Matlab中建立整車(chē)數(shù)學(xué)模型及遺傳算法優(yōu)化函數(shù)。其中，遺傳算法的編碼方式和遺傳算子根據(jù)上節(jié)設(shè)置;

由于Matlab中對(duì)遺傳算法進(jìn)行了處理，可直接求解最小值優(yōu)化問(wèn)題，因此實(shí)際求解時(shí)，無(wú)需把適應(yīng)度函數(shù)轉(zhuǎn)化為最大值問(wèn)題，而是直接以目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

種群最優(yōu)個(gè)體適應(yīng)度和種群平均適應(yīng)度都收斂于5.867，說(shuō)明優(yōu)化結(jié)果良好。

2.2 PEC優(yōu)化主減速比仿真驗(yàn)證

根據(jù)2節(jié)的整車(chē)主要參數(shù)，在AVL cruise軟件中建立PEC仿真模型，把原PEC主減速比與遺傳算法優(yōu)化后的主減速比輸入到AVL cruise的PEC整車(chē)模型中進(jìn)行整車(chē)工況仿真，得到優(yōu)化前后PEC的動(dòng)力性及能耗經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果。

在動(dòng)力性方面，優(yōu)化后的PEC與原PEC相比，最大車(chē)速 下降了2km/h，0～50km/h加速時(shí)間 減少了0.33s，10km/h爬坡度 增加了1.95%，不僅能夠滿足動(dòng)力性能設(shè)計(jì)指標(biāo)，而且加速性能和爬坡性能都有提升。而能耗經(jīng)濟(jì)性方面，在中國(guó)典型城市公交工況下，優(yōu)化后的PEC與原PEC相比，電機(jī)平均效率 提高了2.71%，電機(jī)能耗 降低了11.40%，續(xù)駛里程 增加了11.11%，節(jié)能效果明顯，達(dá)到了降低能耗、增加續(xù)駛里程的目標(biāo)。

通過(guò)以上的優(yōu)化結(jié)果及仿真分析，基于電機(jī)效率的純電動(dòng)車(chē)主減速比優(yōu)化方法利用優(yōu)化計(jì)算，得到使 最低的 ，通過(guò)合理地改變電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，有效地達(dá)到了降低能耗和增加續(xù)駛里程的目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

汽車(chē)主減速比 對(duì)不同動(dòng)力源汽車(chē)的動(dòng)力性和能耗經(jīng)濟(jì)性影響規(guī)律不一樣，需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的效率特性對(duì)電動(dòng)汽車(chē) 進(jìn)行設(shè)計(jì)。在推導(dǎo)分析了 與電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)能耗 的關(guān)系基礎(chǔ)上，提出基于電機(jī)能耗的純電動(dòng)車(chē)（PEC）主減速比優(yōu)化方法，該方法以在中國(guó)典型城市工況下的 最低為目標(biāo)，采用遺傳算法對(duì) 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用Matlab進(jìn)行遺傳算法優(yōu)化求解，得到優(yōu)化后的 ;利用AVL cruise對(duì) 優(yōu)化前后的PEC進(jìn)行動(dòng)力性與能耗經(jīng)濟(jì)性仿真。仿真結(jié)果表明，通過(guò)該方法優(yōu)化后的PEC在滿足動(dòng)力性要求的基礎(chǔ)上，能耗經(jīng)濟(jì)性顯著提高，達(dá)到了降低能耗和增加續(xù)駛里程的目標(biāo)，驗(yàn)證了該方法的有效性。

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