本文以一款自动挡纯电动物流车为研究对象，在对动力系统结构进行相关分析及整车设计需求的基础上，对其进行合理的参数匹配，然后建立加速度和能量消耗最多目标优化模型，利用遗传算法对其传动系速比进行优化，最后利用ADVISOR对整车性能进行仿真验证。
1整车基本参数与性能指标要求
在综合分析整车结构后，本文中纯电动物流车决定采取单档机械式传动结构，即去掉离合器和变速箱，直接将电机、减速器以及差速器组合在一起，这样减少了整车的质量与底盘所占用的空间，有利于其他部件的布置，同时减少了整车的研发时间；另一方面对于动力电池采取整体式分布的布局，设计一款新的电池包结构，使动力电池全部集中在车身地板下部的位置上，这样可以提高整车的操纵性与平稳性也使得载荷均匀的分布。其整车驱动系统三维模型如图1所示。
整车基本参数如下表1所示，性能指标要求如表2所示。
2纯电动物流车动力系统参数匹配
2.1电机参数匹配
驱动电机参数的匹配主要是指对其峰值功率、额定功率、最高转速、最大转矩和额定转速等参数的确定。
2.1.1电机额定功率和峰值功率的确定
纯电动物流车电机的峰值功率需要能够同时满足最高车速、最大爬坡度以及加速时间所需的功率，即：
其中，Pmax1-最高车速功率、Pmax2-最大爬坡度功率、Pmax3-加速时间功率。
①汽车在平顺道路上，以最高车速行时的最大功率：
式中：Vmax-最大车速，km/h；ηt-机械效率；m-整车质量，kg；f-滚动阻力系数；CD-空气阻力系数；A-迎风面积。
②以汽车通过最大爬坡度来确定最大功率：
式中，αmax-最大爬坡度；Vi-车速。
③以汽车加速度确定最大功率：
式中，δ-汽车旋转质量换算系数。
所选取的驱动电机电机最大功率应应同时满足以上三项要求。在确定最大功率后，其额定功率即为：
其中，Pe-电机额定功率，kw；λ-电机过载系数，一般取2-3。
2.1.2电机额定转速和最高转速的确定
根据目标车型的设计性能指标要求，电机的最高转速应不低于纯电动物流车的最高车速，即：
式中，nmax-电机最高转速，r/min；io-主减速器传动比；ig-变速器传动比，Vmax-车辆行驶最高车速，km/h。
在确定驱动电机的最高转速后则其额定转速即为：
式中，β-电机扩大恒功率区系数，通常取2-4。
2.1.3电机最高转矩和额定转矩的确定
驱动电机的最高转矩Tmax应当满足车辆低速行驶时能够通过最大爬坡度：
而对于驱动电机的额定转矩可由额定功率和额定转速求得，即：
综上计算，最终确定选取一款永磁同步电机最为驱动电机，其基本参数如表3所示。
2.2动力电池参数匹配
设计动力电池组时首先应该满足整车动力性，其次再保证整车续驶里程的设计要求。本文中纯电动物流车选取的动力电池是磷酸铁锂电池，其标称电压为3.2v。
动力电池的单体数量可以通过对动力电池的要求来计算。根据所确定的驱动电机的性能可得到计算电池组数目公式如下：
式中，Pemax-电动机峰值功率；Pbmax-单体电池最大输出功率；ηe-电动机效率；ηec-电动机控制器工作效率。
根据整车续驶里程要求得电池组数目计算公式如下：
式中，L-续驶里程；W-消耗的能量；Cr-单节电池额定容量；Vl-单节电池电压。
综上，可得动力电池组数目为：
（2）通过整车续驶里程要求来确定动力电池组的总容量。
动力电池总电量为：
式中，v40-车辆以40km/h匀速行驶时所需要的功率；NDOD-电池放电深度，本文取0.8；NEC-电机和电池控制器工作效率，本文采用0.9。
则动力电池组的容量为：
根据以上计算，确定动力电池基本参数如表4所示。
2.3传动系参数的匹配
传动系参数对整车性能具有重要影响，不仅能够传递驱动车辆行驶的动力还可以起到降低转速增大转矩的功效。
（1）确定最小传动比
纯电动物流车的最小传动比可由电机最大输出转矩Tmax、最高转速对应的行驶阻力Fmax和最大爬坡度对应的行驶阻力Vamax来确定，即：
式中，行驶阻力，Tmax-输出转矩，ηt-传动系统效率，r-轮胎有效半径（m）最大爬坡度对应的行驶阻力。
（2）最大传动比的确定
纯电动物流车最大传动比应可由电动机最高转速和最高行驶车速确定：
式中，nmax-电机的最高转速（r/min），Vmax-最高行驶速度（km/h）。
根据以上对传动系传动比范围的分析及设计经验，确定主减速比为4.，同时计算得出在该速比下纯电动物流车满足整车的动力性要求，故本文采用固定速比减速器，其主减速比为4.。
3纯电动物流车动力系统优化
纯电动汽车传动系优化是多目标的函数优化问题，遗传算法它正是解决此类问题的有效方法。
3.1选择优化目标
本文主要以纯电动物流车传动系的参数作为优化变量。针对传动系进行优化时，通常是以主减速比和变速器传动比为优化变量。由于本文纯电动物流车没有变速箱，因此仅选择主减速器速比作为优化变量即：
3.2建立优化目标函数
为准确的反映整车性能的综合性能，本文分别选取整车动力性与经济性两个目标作为优化目标，其中其加速时间来建立动力性目标函数。
式中：δ0-车辆惯性回转质量系数，G-车辆质量，Ft0-电机驱动力，Fφ+ω-车辆运行过程的道路阻力和行驶阻力之和。
以特定工况下整车的能量消耗来建立经济性目标函数，其表达式为：
式中，为—每个状态电动汽车消耗的功率，单位（kW）。
本文的优化，主要是针对纯电动物流车在整车性能可行域内，找到达到目标的最优解，在确定两个分目标后可将其转化为一个单目标问题，即由一个函数同时表达整车的经济性与动力性，其目标函数可为：
式中，ω1为动力性加权因子，ω2为经济性加权因子。对于纯电动物流车来说，在保证动力性的基础上，主要追求的是整车经济性能，因此ω1取0.3，ω2取0.7。
3.3选择约束条件
由目标函数本文选择以下作为约束条件：
（1）由最高车速和电机最高转速确定传动系速比最大值：
（2）由车辆最高车速以及最大行驶阻力确定传动系速比的最小值：
（3）由最大爬坡度以及最大行驶阻力确定传动系速比的最小值：
（4）满足最大爬坡度的约束条件
（5）在整车设计指标基础上，续驶里程约束。
（6）附着力的约束，地面附着系数一般取值0.5~0.7，则约束条件为：
3.4优化算法计算
根据上文得出的目标函数和约束条件调用MATLAB遗传算法工具箱进行编程优化计算[8]，得到遗传算法下的传动系速比优化结果，如下表5所示：
4ADVISOR整车仿真
4.1构建整车仿真模型
在ADVISOR整车参数输入界面，根据匹配参数对纯电动物流车主要部件模块的m文件进行修改重新定义来搭建整车仿真模型，其主要部件模块包括驱动电机、电池、主减速器和车轮等。
4.2整车仿真分析
1、在完成对纯电动物流车整车模块的搭建后，选取欧洲城市工况CYC_NEDC对其动力性经济性进行仿真，其中单个工况中车速随时间变化如下图2所示，设置相应的爬坡度及加速度的计算任务。图3为仿真实际车速曲线，对比可知车辆能很好的跟随该循环工况。图4、图5分别为仿真后电机的效率图与动力电池的SOC变化曲线。
由图4可知动力电池组的SOC值在整个循环过程中保持平稳下降趋势，且整个放电状态较为稳定，满足实际情况；图5可以看出驱动电机在仿真过程中其工作效率大部分处于0.9左右。表明对纯电动物流车的匹配基本满足要求。
利用ADVISOR搭建整车模型并进行仿真，整车性能仿真结果如下表6所示；图6为优化前后动力电池SOC变化。
由表4可知优化前纯电动物流车的最高车速未能满足设计指标要求，而优化后纯电动物流车的整体性能有了一定的提高，其动力性与经济性都有了一定的改善。其中最高车速较之提升了5%左右，满足设计指标；续驶里程较之前上升了9.8%左右，虽然0-50km加速时间与爬坡度较优化前有所下降，但仍满足整车的设计指标。
5结论
根据整车设计指标要求，对自动挡纯电动物流车主要部件进行匹配，然后利用遗传算法，对其传动系速比进行多目标优化。之后利用ADVISOR仿真平台进行整车性能仿真。由结果可知整车参数的匹配基本符合要求，同时在遗传算法的优化下纯电动物流车的整体性能有了一定的提高，其动力性与经济性都有了一定的改善。验证了利用遗传算法进行传动比优化的准确可行性，为之后纯电动物流车整车参数的匹配与优化提供了一定的参考价值。
文章来源：1.厦门理工学院；2.福建省客车与特种车辆研发协同创新中心
本文仅供学习交流，如有侵权请联系我们，我们会及时处理。
预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇