趙一凡 馮澤 景疆輝 王夢(mèng)宇

摘 要：電動(dòng)車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)部件選擇的多元化使得對(duì)其動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化成為一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程，同種部件選擇的隨機(jī)性決定不同的匹配方案。因此除了研究人員通過對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)部件進(jìn)行隨機(jī)組合得到不同方案進(jìn)而從中尋優(yōu)的傳統(tǒng)優(yōu)化方法之外，文章針對(duì)某型號(hào)電動(dòng)公交車基于ISIGHT聯(lián)合ADVISOR運(yùn)用最優(yōu)化技術(shù)理論，建立數(shù)學(xué)模型并用改進(jìn)的遺傳算法對(duì)電動(dòng)車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，經(jīng)過1500次的迭代運(yùn)算后，確定電動(dòng)車1檔、2檔和主減速傳動(dòng)比分別為1.779、0.989和6.174時(shí)，電動(dòng)公交車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面均得到了明顯改善。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力性；經(jīng)濟(jì)性；傳動(dòng)比；多目標(biāo)優(yōu)化；ISIGHT

中圖分類號(hào)：U461.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）18-0013-04

Abstract： Due to the diversity of components selection of electric vehicle power transmission system， the multi-objective optimization of its power performance and economy becomes a very complex project. The randomness of the same component selection determines different matching schemes. Therefore， in addition to the traditional optimization method that researchers get different schemes by randomly combining the components of the power transmission system， this paper applies the optimization technology theory to a certain type of electric bus based on ISIGHT and ADVISOR. The mathematical model is established， and an improved genetic algorithm is used to optimize the power performance and economy of electric vehicles. After 1500 iterations， it is determined that the first， second and main deceleration ratios of electric vehicles are 1.779， 0.989 and 6.174 respectively. The power and economy of electric bus have been improved obviously.

Keywords： power performance； economy； transmission ratio； multi-objective optimization； ISIGHT

科技進(jìn)步，社會(huì)發(fā)展，人們的生活水平越來越高，出行方式也逐漸的走向機(jī)動(dòng)化，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到今年，我國(guó)的汽車數(shù)量達(dá)到3億多，并且仍然呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。日益增多的私人汽車給我們的生活帶來便捷的同時(shí)，也存在一定的弊端，交通擁擠甚至癱瘓，極大的影響著出行效率，隨之而來的還有空氣的嚴(yán)重污染、石油能源的短缺等世界性問題。為了緩解交通壓力和環(huán)境污染等問題，我國(guó)大力發(fā)展新能源技術(shù)在公交車上的應(yīng)用，但是目前國(guó)內(nèi)部分純電動(dòng)公交車仍存在動(dòng)力性不足，續(xù)駛里程短的問題，因此對(duì)于純電動(dòng)公交車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化研究不容忽視。由于對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程，目前對(duì)其優(yōu)化的方法往往是以多個(gè)速比進(jìn)行嘗試尋優(yōu)或者選取個(gè)別指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，且優(yōu)化變量常常為總傳動(dòng)比或變速箱檔位傳動(dòng)比忽略了主減速器齒比的優(yōu)化[1][2]，因此局限性很大，很難找出最優(yōu)的匹配結(jié)果。

本文首先對(duì)以確定動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)公交車建立整車動(dòng)力學(xué)模型，按照設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求進(jìn)行仿真驗(yàn)證，進(jìn)而建立整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，基于ISIGHT進(jìn)行仿真優(yōu)化，找到最優(yōu)的匹配方案。

2 性能指標(biāo)分析

由于純電動(dòng)車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車不同，驅(qū)動(dòng)電機(jī)取代了內(nèi)燃機(jī)，傳統(tǒng)汽車的油箱則用動(dòng)力電池替代，不僅如此，傳統(tǒng)汽車上的很多部件之間的連接方式由剛性的連接變?yōu)槿嵝缘碾娎|連接，因此純電動(dòng)汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)在整車上的布置上具有多元化，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)車輛動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)分別為最高車速、最大爬坡度、加速時(shí)間和百公里油耗等，由于本文對(duì)純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究，因此本文以純電動(dòng)公交車的最高車速umax、最大爬坡度Imax、加速時(shí)間t來評(píng)判車輛的動(dòng)力性，以續(xù)駛里程來評(píng)判車輛的經(jīng)濟(jì)性能。

3 整車動(dòng)力學(xué)模型建立與仿真

3.1 ADVISOR建模

根據(jù)某純電動(dòng)公交車的前期設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)，對(duì)整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配計(jì)算，利用Matlab/Advisor建立純電動(dòng)車整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真模型[4][5]，對(duì)其動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析。表1為整車技術(shù)參數(shù)，圖2為整車仿真模型。

3.2 模型驗(yàn)證

由于公交車在正常運(yùn)行情況下很難維持一個(gè)較為穩(wěn)定的車速范圍，避讓行人車輛、等待交通信號(hào)燈、站點(diǎn)多，以及等待乘客上下車等因素常常使車輛處在不斷啟停的狀態(tài)[3]，因此行駛工況較為復(fù)雜，本文以圖3為公交車的循環(huán)仿真工況。

根據(jù)電機(jī)和電池的工作過程狀態(tài)仿真曲線可以看出當(dāng)公交車加速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩正向增大，同時(shí)電池電流正向增大；當(dāng)公交車減速制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)向增加，此時(shí)電流也為負(fù)值，電池進(jìn)入充電狀態(tài)。整個(gè)仿真過程曲線變化合理流暢，驗(yàn)證了模型的可行性與合理性，為進(jìn)一步輸出動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果奠定基礎(chǔ)。

3.3 仿真結(jié)果

本文針對(duì)公交車空載狀態(tài)下的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行仿真計(jì)算，其中包括公交車的最高車速、最大爬坡度、0-30km/h加速時(shí)間、20-50km/h加速時(shí)間、0-50km/h加速時(shí)間和續(xù)駛里程。圖7為動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性各項(xiàng)指標(biāo)的仿真計(jì)算結(jié)果。表2為仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)的對(duì)比。

由此可見，電動(dòng)公交車的整車動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，進(jìn)一步印證了所建模型的可行性[6]。

4 動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化

本文對(duì)電動(dòng)公交車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化屬于多目標(biāo)優(yōu)化問題，其數(shù)學(xué)模型為：

min fm（x）， m=1，2，3，…，M

Subject to gj（x）≤0， j=1，2，3，…，J

hk（x）=0， k=1，2，3，…，K

Xi（L）≤Xi≤Xi（U）， i=1，2，3，…，n

式中fm（x）為目標(biāo)函數(shù)；gj（x）、hk（x）為約束條件；Xi為設(shè)計(jì)變量，Xi（L）與Xi（U）分別為設(shè)計(jì)變量的上下限。

4.1 建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化理論建立電動(dòng)公交車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性多目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型。

min F（x）=[Fec（x），F(xiàn)t（x），1/Fi（x）]

Subjet to g1（x）=imax-i1≤0

g2（x）=Vmax-V≤0

g3（x）=t-t1≤0

g4（x）=-Zφφ≤0

g5（x）=Q-Qe≤0

g6（x）=nm_t_max/x2-nmotor_max/x1≤0

模型中F（x）為動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化目標(biāo)，其中Fec（x）是公交車工況下的能耗，F(xiàn)t（x）是加速時(shí)間，F(xiàn)i（x）是最大爬坡度；g1（x）、g2（x）、g3（x）、g4（x）、g5（x）、g6（x）分別為最大爬坡度約束、最高車速約束、0-50km/h加速時(shí)間約束、驅(qū)動(dòng)輪附著條件約束、能耗約束和動(dòng)力傳動(dòng)過程約束。

由于本文針對(duì)某型號(hào)的電動(dòng)公交車具有兩個(gè)檔位，因此設(shè)計(jì)變量包括主減速器、1檔和2檔的傳動(dòng)比：

X=[x1，x2，…，xn-1，xn]T=[i0，i2，…，in-1，in]T；（n=3）

即：X=[x1，x1，x1]T=[i0，i1，i2]T

4.2 ISIGHT-ADVISOR聯(lián)合仿真優(yōu)化

基于ISIGHT優(yōu)化平臺(tái)聯(lián)合ADVISOR仿真模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算，圖8為ISIGHT集成ADVISOR的多目標(biāo)優(yōu)化模型。

由此可見優(yōu)化后的電動(dòng)公交車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性各項(xiàng)指標(biāo)除了最高車速比優(yōu)化前略微下降外，其他各項(xiàng)指標(biāo)均得到提升，且優(yōu)化后的各項(xiàng)指標(biāo)全部滿足整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)要求。因此電動(dòng)公交車整車的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性可以得到明顯的改善。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某型號(hào)電動(dòng)公交車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化問題進(jìn)行深入研究，摒棄了以往研究人員為滿足整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)要求通過對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)部件的隨機(jī)組合找到相對(duì)比較優(yōu)異的匹配方案的傳統(tǒng)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化方法，這種方法局限性較大，并且優(yōu)化結(jié)果往往是在犧牲動(dòng)力性或經(jīng)濟(jì)性的前提下來提升另一項(xiàng)性能。本文通過ISIGHT-ADVISOR聯(lián)合仿真優(yōu)化不僅避免了傳統(tǒng)優(yōu)化方法的局限性，而且通過優(yōu)化前后電動(dòng)公交車整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性各項(xiàng)性能指標(biāo)的對(duì)比可以看出，整車各項(xiàng)性能指標(biāo)在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下均得到明顯的改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]周云山，楊克鋒.兩擋純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系換擋規(guī)律及速比優(yōu)化研究[J].機(jī)械傳動(dòng)，2015，39（12）：12-16+23.

[2]李夏楠.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法仿真研究[D].武漢理工大學(xué)，2013.

[3]李東軍，王麗紅，李繼光.中國(guó)典型城市車輛行駛狀況的測(cè)試統(tǒng)計(jì)[J].汽車技術(shù)，1998，19（3）：13-16.

[4]曾小華，宮維鈞.電動(dòng)汽車仿真與再開發(fā)應(yīng)用[M].機(jī)械工程出版社，2014.

[5]ADVISOR Documentation[M].National Renewable Energy Laboratory，2002.

[6]Meisam Amiri，Mohsen Esfahanian，Mohammad Reza Hairi-Yazdi，Vahid Esfahanian，Minimization of power losses in hybrid electric vehicles in view of the prolonging of battery life[J].Journal of Power Sources，2009，Vol.190（2）：372-379.