正交运行设计法在混合动力汽车经济性优化中的应用

A版正交运行设计法在混合动力汽车经济性优化中的应用孙西义姚杰上海汽车商用车技术中心，上海200438【摘要】将正交运行设计方法应用于混合动力客车使用经济性优化运行的影响因素分析，在归纳影响混合动力车辆使用经济性主要因素的基础上，通过在世博混合动力汽车项目两年多的开发过程中使用为实例，运用正交运行设计方法进行分析，很好地解决了平日参数优化标定时间长、任务重的不足，在短期内获得了良好的效果。【ABSTRACT】THEARTICLEPRESENTSORTHOGONALEXPERIMENTALDESIGNOEDMETHODTOTHEANALYSISOFFACTORSIMPACTINGHEVECONOMYCAPABILITYOPTIMIZATIONECOTESTTHEN，MAINFACTORSTHATINFLUENCETHEHEVECONOMYCAPABILITYARESORTEDBASEDONTHEREALEXAMPLEINTHEDEVELOPMENTOFEXPOHYBRIDVEHICLEPROJECTDURINGMORETHANTWOYEARS，APPLICATIONOFOHOGONALEXPEFIMENTDESIGNMETHODCANSOLVETHEDEFECTOFTHELONGTIMEANDHEAVYTASKOFPARAMETEROPTIMIZATIONCALIBRATION，ANDHASAVERYGOODEFFECTINASHORTTIME【关键词】混合动力汽车经济性正交运行DOI103969JISSN10074554201102O10引言混合动力汽车已经成为国际汽车工业发展的潮流和热点，发展新能源汽车是国家的战略部署，而混合动力汽车则是目前各大汽车公司发展的重点。混合动力汽车的使用经济性是其能否有效进行市场化推广应用的基础，是混合动力汽车各种重要技术中的一个非常重要的研究方向。经济性优化运行需要对影响汽车使用经济性的各种因素进行分析判断，归纳出最大的影响因素，从而进行重点攻关，对混合动力汽车的动力系统和控制程序进行有效匹配，使车辆使用经济性最佳收稿日期20101130上海汽车201102判断影响混合动力汽车使用经济性因素是非常困难的，它受到多种因素如车辆基本性能参数设定、客流量变化、道路状况、驾驶技术等的综合影响。哪些因素引起了判断错误的现象哪些因素对HEV使用经济性有显著的贡献主要影响因素的识别可通过运行验证。但全样本运行工作量巨大，难以实现。正交运行法OED是解决这一问题的高效方法。使用OED方法，能够大幅度减少运行次数且不会降低运行的可信度。在混合动力汽车控制策略的参数标定过程中，如采用参数全局组合的全面运行，则运行的规模将很庞大，因运行条件的限制而难于实施。因此采用正交运行设计的方法，安排多参数运行、寻求这些参数的最优组合3图1混合动力汽车使用经济性11混合动力汽车基本工作模式本文所研究的对象是世博混合动力大客车，该动力系统采用简单混联的动力系统结构形式，即发动机、ISG电机、离合器、主电机机械上依次相接的动力系统结构，详见图1。图1混合动汽车的动力系统结构该动力系统基本工作原理大致是在车辆低速时采用串联工作模式；中速时采用发动机驱动、电机助力的工作模式；高速时采用发动机驱动、电机补电的工作模式。12HEV使用经济性影响因素分析由于整个过程涉及模式转换形式较多，影响整车经济性相关参数较为复杂。1车辆基本性能参数设定的影响每种车都有其特定的使用环境要求，在车辆设计时应该设定与其相适应的参数。2车辆混合动力工作模式的影响混合动力汽车根据车辆运行状况的不同，不停地转换工作模式，而T作模式的转换是南车辆控制程序操作的，如果程序设计不能与车辆运行状态相吻合，则会带来问题。3路况的影响。公交客车在城市中运行，其路况差别非常大，红绿灯的数量、道口的多少、行人流量、路面状况、绿化带的设置、拥堵情况等都会不同程度地影响到汽车使用经济性的指标。4客流量变化的影响。公交客车不同的线路、不同的时段、不同的日期，客车乘客数量则有很大的不同，这势必带来车辆运行过程中不同的操纵模式。45驾驶技术的影响。驾驶员驾驶汽车的熟练程度、对混合动力汽车技术的认知程度、处理问题能力等都影响着车辆的使用经济性。2正交运行设计法21正交运行设计原理正交运行设计是一种解决多因素、多水平对比运行的数学方法。它依据数学原理，根据正交性从大量的运行因素中挑选具有正交性质的因素和水平指标，通过均衡搭配组合，使那些具有代表性、典型性的组合进行运行。这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，可以涵盖各个因素组合的情况，极大地减少了运行的次数，用少而又有代表性的运行反映出全面情况，提高了工作效率。22OED法的优点一般认为，正交运行设计具有以下优点考察因素及水平合理、分布均匀；不需重复运行误差便可估计出来，且计算精度高；找出了最主要因素，便于进一步运行；冈素越多、水平越多、因素之间交互作用越多，正交表的作用越大。在分析车辆使用经济性影响因素的运行中，可以利用正交运行的优点，来大幅降低运行的数量并保证运行质量23OED法的应用步骤混合动力汽车使用经济性的影响因素十分复杂，是由许多影响因素共同作用的结果。影响的主要因素可以归纳为车辆匹配技术、动力系统配置方案、路谱情况、客流量分布、驾驶技术等。以车辆使用经济性影响因素为分析对象，其应用步骤如下1明确研究对象的目的、确定考核指标；2挑因素、选择合适的正交表，选水平、制定因素水平表，确定运行方案；3对运行结果进行分析。3混合动力系统参数优化过程31运行试验方法上海汽车201102正交运行设计的基本特点是用部分运行来代替全面运行，通过对部分运行结果的分析，了解全面运行的情况。因为优化对象为在用车辆，故依次采用参数标定、策略优化、零部件性能优化3个阶段进行经济性优化工作，并通过第二、第三阶段的工作，完成世博混合动力产业化升级。在参数标定阶段，根据约6个月运行时间计划，同线路对标车辆的情况及控制策略关键参数的数量，采用4因素3水平正交实验方案。选择具有代表性的既有手动档又有自动档的对标车型进行对标试验的线路作为参数优化试验线路，进行经济性参数优化工作，最终把优化方法推广到其他运营线路上。在查阅大量与混合动力客车经济性有关的国内外文献资料的基础上，根据目前混合动力客车的结构特点和车辆及零部件的技术状态的约束条件，初选因素指标。然后，走访有关专家对初选因素指标进行筛选，搜集主要影响因素指标，采用多元回归分析方法，重点考虑选择怠速发电功率、低速助力功率、高速补电车速、高速补电功率等4个因素及其水平。32典型城市工况标准试验首先进行标准工况国标，典型城市工况下的节油率试验，以作为实际路况下的试验对比。试验情况如图2所示，其它参考见表1。依据重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法GBT197542005，试验结果见表2。车型整备质量T满载质量T加载65T空调HEVL241751585关闭对标车LL1751525关闭70籍0中国典型城市工况L9118127136045I54163172L8LL90L99LLO811L71L26L时问S图2典型城市工况标准试验表1试验参数里程平均车速最高车速怠速时间加减循环时间SKMKMHKMHS次L3245816603001433实际运行试验阶段一某辆城市HEV公交客车，每1组参数4辆车油耗统计10天，每10天完成3组参数，3O天完成4因素3水平的9组正交实验参数。为了保证实验前各组间的齐同性，对整车的的油耗进行方差分析检验，检验结果符合统计学齐同对比原则，可以进行实验。在试验过程中，车辆的技术状态等方面的要求与条件完全相同，严格按实验方案要求进行，实验结束后取各组的均值，然后将实验前和实验后进行计算，其结果作为评价指标，找出控制策略参数的优化搭配及所形成的优化的控制策略，见表34。34实际运行试验阶段二针对运行阶段一的结果，第5组实验最佳，百表2试验结果柴油油耗里程电耗合计SOC变化时间电耗折算累计油耗百公里油耗平均油耗经济性车型试验地点数据项目LKMKWHS油耗LLLLOOKMLLOOKM提高试验115265943040111L2140131662789试验场试验215375959O20O561303007160269LHEV试验B14415931O71197L26702316828262794滨海路试验C156059490340931295O111672809试验D15405929046127124401516928532503试验O12280613O00002283719试验0222LO6137OO0O22L3601对标车滨海路试验O322905987000O22938253726试验O4215258630O0O2153670试验05222858390O002233816上海汽车2011025露表3正交运行因素水平试验因素水平怠速发电功率低速助力功率呙建补电军速高速补电功率KWKWRMINFKW111216900L7214L9L000203L622L1OO23表4正交运行方案试验因素油耗统计试验号怠速发电功率低速助力功率高速补电车速高速补电功率1LOOKMKWKWRRAINKW112L6900L745212191OOO203831222L10023354L416L000234251419L100L7326L42290020397L6L6110020498L6L9900235L9L6221000L746公里油耗为32L，在此基础上，进行细化的第二阶段4因素3水平的9组正交实验，见表56。表5正交运行因素水平水平水平怠速发电功率低速助力功率高速补电车速高速补电功率KWKWRMINKW113L8LO5O15214】91001731520L15019表6正交运行方案表试验因素油耗统计试验号怠速发电功率低速助力功率高速补电车速高速补电功率KWKWRRAINKWLLOOKMLO13L8L050L5318L1L319LL0017327L213201L5OL93011314L8L1OOL930414L4L91I50L5323151420L050173311615181150L734217L519L050L9351815201L00L5345方案一和方案二的试验结果对比如图3，其中细线为方案一的结果曲线图，粗线为方案二的试验结果曲线图。运行阶段二的结果表明，在第一阶段寻优的基础上，通过第二阶段的细化组合寻优，第12组参数粗线效果最好，百公里油耗为301L。6L5怠速发电电机行车电机助力与电机行车最大功率助力功率发电转换速度发电功率4结语图3试验方案一和二的对比实验对混合动力客车控制策略的参数进行优选，以整车经济性为考察指标，采用正交运行法优化控制策略的控制参数，有效解决了控制策略参数的相互影响性并大大简化了实验次数，提高了实验的精确性。混合动力客车的控制策略影响参数较多，在影响整车经济性的相关参数中，选择怠速发电功率、低速助力功率、高速补电车速、高速补电功率4个关键因素，整车油耗为考察指标，最终整车经济性的优化控制策略参数为怠速发电功率13KW、低速助力功率20KW、高速补电车速1150RMIN、高速补电功率19KW，运行结果表明该方法运行的结