纯电动汽车动力传动系参数匹配及仿真

2016 年第 29 卷第 1 期 Electronic Sci Tech Jan 15 2016 协议 算法及仿真 www dianzikeji org 收稿日期 2015 05 12 基金项目 上海市科委科研基金资助项目 11140502000 作者简介 孙景伦 1989 男 硕士研究生 研究方向 研究方向 汽车动力传动系匹配 doi 10 16180 j cnki issn1007 7820 2016 01 014 纯电动汽车动力传动系参数匹配及仿真 孙景伦1 2 周萍1 2 孙跃东1 2 1 上海理工大学 机械工程学院 上海200093 2 上海理工大学 机械工业汽车底盘机械零部件强度与可靠性评价重点实验室 上海200093 摘要为实现纯电动汽车传动系传动比与驱动电机的合理匹配 提出了一种基于 MOGA 遗传算法的多目标 优化方法 根据配备两挡变速器的某纯电动汽车的整车参数和设计要求 对其动力传动系统主要部件驱动电机及动力 电池进行了匹配和选型 基于 GT drive 软件搭建整车仿真模型进行仿真分析并验证了匹配的合理性 利用多目标优 化软件 modeF ONTIE 进行了传动系传动比优化 优化结果表明 纯电动汽车的一次充电续驶里程及原地起步加速时 间分别提高了 5 5 和 2 9 关键词纯电动汽车 动力传动系 参数匹配 仿真优化 中图分类号U463 2文献标识码A文章编号1007 7820 2016 01 051 05 Parameters Matching and Simulation for Power Train of Pure Electric Vehicle SUN Jinglun1 2 ZHOU Ping1 2 SUN Yuedong1 2 1 School of Mechanical Engineering University of Shanghai for Science and Technology Shanghai 200093 China 2 Key Laboratory of Mechanical Industry for Automobile Chassis Mechanical Parts Strength and eliability Evaluation University of Shanghai for Science and Technology Shanghai 200093 China AbstractA dual objective optimization method based on MOGA genetic algorithm is proposed for the ratio of power train to be matched reasonably to the drive motor of pure electric vehicle Drive motor and power battery of power train are matched for a two speed pure electric vehicle based on the vehicle parameters and design require ments The GT drive vehicle simulation models are built to analyze and validate the rationality of the matching The transmission ratios are optimized by multi objective optimization software modeF ONTIE The results show that the driving range of a single charge and initial acceleration time is increased by 5 5 and 2 9 respectively by optimi zation Keywordspure electric vehicle power train parameters matching simulation optimization 纯电动汽车 Pure Electric Vehicle PEV 正逐步成 为未来汽车的主要发展方向 1 随着纯电动汽车的驱 动电机 动力电池等关键技术的进步 其驱动系统的合 理匹配及传动系统的传动比优化 依然是提高整车动 力性及经济性的重要手段 2 本文以处于开发初期的 某纯电动汽车为例 对动力传动系的主要部件进行参 数匹配 建立整车仿真模型进行仿真分析验证 并对传 动系统的传动比进行优化 以提高整车性能 1整车参数及性能要求 目前 纯电动汽车正沿着高速纯电动汽车及低速 纯电动汽车两条主线发展 3 本文是基于某高速纯电 动汽车进行研究与开发的 其整车主要参数及性能指 标要求如表 1 所示 表 1整车主要参数及性能指标要求 主要参数及性能指标数值 整车整备质量 kg1 400 满载质量 kg 1 800 迎风面积 A m22 16 风阻系数 cD 0 31 质量转换系数 1 04 车轮动态半径 r m0 30 滚动阻力系数 f0 017 主减速器传动比 i0 3 170 1 挡传动比 i12 104 2 挡传动比 i2 0 996 15 协议 算法及仿真孙景伦 等 纯电动汽车动力传动系参数匹配及仿真 www dianzikeji org 续表 1 最高车速 umax km h 1 150 0 100 km h 1加速时间 t s 20 30 km h 1恒速下最大爬坡度 i max 25 UDDC 循环下续驶里程 S km 200 2动力传动系参数匹配 2 1驱动电机的参数匹配 与传统内燃机汽车不同 PEV 由蓄电池供电 电机 驱动车轮行驶 4 驱动电机的特性参数主要有额定功 率 峰值功率 额定转速 最大转矩等 驱动电机的类型 对 PEV 的性能也有一定程度的影响 5 优化设计中一般以保证 PEV 预期的最高稳定车 速来初步选择电机的驱动功率 即驱动电机的额定功 率应大于等于 PEV 在水平良好路面上以最高稳定车 速匀速行驶的阻力功率 6 即 pe umax T mgf 3 600 cDA 76 140u 2 max 1 式中 pe为额定功率 T为总传动效率 这里取 92 为满足 PEV 在某一恒定速度下的爬坡性能要求 驱动电机的峰值功率应满足 7 pmax1 1 3 600 T mgfcos max mgsin max cDAu2 i 21 15 ui 2 式中 max为 ui 30 km h 1恒定速度下的最大爬坡角 度 这里 max 14 04 另外 为满足 PEV 加速性能要求 峰值功率应 满足 8 pmax2 1 3 600 T m duj dt mgf cDAu2 j 21 15 uj 3 式中 uj为车辆加速的末速度 所以根据式 1 式 3 驱动电机的峰值功率 pmax应满足 pmax max pe pmax1 pmax2 4 还需注意的是 峰值功率和额定功率之间存在如 下关系 9 pmax pe 5 式中 为过载系数 一般取 1 3 驱动电机的最高转速由最高车速决定 10 即 nmax i0iiumax 0 377r 6 驱动电机的额定转速由汽车巡航速度 un决定 即 ne i0iiun 0 377r 7 驱动电机的最大转矩由汽车实现最低稳定车速来 达到最大爬坡度所克服的阻力转矩决定 即 Tmax r i0ii T mgfcos max mgsin max cDAu2 i 21 15 8 2 2动力电池的参数匹配 动力电池的参数匹配主要考虑电池组的容量 电 压 能量密度及电池的类型等 确定电池组最小数目 的方法是使电池组最低工作电压大于等于电机最小工 作电压 电池组最大数目由电池组最大输出功率大于 等于驱动电机的最大功率的约束条件来确定 而电池 组的容量是由 PEV 的续驶里程来限制的 11 如式 9 所示 E 1 000S eU 9 式中 E 为电池组的容量 e 为单位能耗行驶的里程 S 为 续 驶 里 程 为 放 电 深 度 DOD 这 里 DOD 取 90 综上所述 根据理论计算及权衡 为目标车辆所匹 配的驱动电机及动力电池的指标参数如表 2 所示 表 2电机及电池组主要参数 部件参数数值 永磁同步电机 额定功率 峰值功率 kW50 95 额定转速 最大转速 rad min 1 3 000 8 000 额定转矩 最大转矩 N m160 300 锂离子电池 标称容量 Ah120 放电深度 90 标称电压 V320 能量密度 W h kg 1 140 3整车性能仿真及验证 根据计算任务的不同以及性能优化的指标要求 利用整车性能仿真软件 GT drive 分别建立了静力 学 动力学及运动学模型 其整车静力学仿真模型如 图 1所示 利用其进行整车动力性及经济性计算分 析 得到 0 100 km h 1的原地起步加速时间及 1 挡 爬坡度等仿真结果 对原车进行试验 并将仿真分析中得到的 0 100 km h 1的原地起步加速时间及 1 挡爬坡度曲线 与实车试验曲线进行了对比 分别如图 2 及图 3 所示 目标车辆 0 100 km h 1 的加速时间为 19 1447 s 30 km h 1恒速下的爬坡度为 32 43 UDDC 循环下 一次充电续驶里程为 222 19 km 均满足设计目标 进 一步说明了为该车动力传动系选型的驱动电机及动力 电池是合适的 25 孙景伦 等 纯电动汽车动力传动系参数匹配及仿真协议 算法及仿真 www dianzikeji org 图 1 PEV 整车静力学仿真模型 图 2仿真及试验的加速时间曲线 图 3仿真及试验的爬坡度曲线 表 3仿真与试验结果对比 性能指标试验结果仿真结果偏差 最高车速 km h 1 165 3166 9240 98 0 100 km h 1加速时间 s 19 419 1447 1 3 30 km h 1恒速下最大爬坡度 31 8532 431 8 单个 UDDC 循环能耗 kJ5 505 875 395 21 2 0 将仿真结果与试验结果对比分析 其分析结果如 表 3 所示 不难发现 仿真结果与实车试验结果各个性 能指标偏差的绝对值都在 2 以内 验证了整车仿真 模型具有较高的精确度 4目标车辆的性能优化 在目标车辆的电机及电池组合理选型之后 传动 系的总传动比是影响整车动力性及经济性的主要因 素 考虑到电机具有低速恒转矩 高速恒功率及良好 的响应速度等特性 在 PEV 中变速器的挡位数一般不 超过 3 挡 本文为该车型选配了能够减小电机最大转 矩 优化电机的工作转速区间 提高传动系效率的两挡 自动变速器 12 4 1设计变量及目标函数的确定 传动系总传动比包括主减速器传动比 i0和各挡 传动比 ii 因此选取优化设计变量为 X x1 x2 x3 T i0 i1 i2 T 10 选取 0 100 km h 1原地起步加速时间作为动 力性目标函数以及基于 UDDC 循环工况的能量消耗量 作为经济性目标函数 所以目标函数为 MinF X Time X Energy X 11 4 2优化约束条件的确定 本 PEV 中优化传动系参数的约束条件主要有动 力性约束及传动比约束 4 2 1动力性约束 1 最高车速限制 最高车速 ua须大于所要求的 最高车速下限 umax 即 35 协议 算法及仿真孙景伦 等 纯电动汽车动力传动系参数匹配及仿真 www dianzikeji org ua umax 12 2 最大爬坡度限制 最大爬坡度 ia要大于所要 求的最大爬坡度的下限 imax 即 ia imax 13 4 2 2传动比约束 1 最大传动比下限 一般通过车辆的最大爬坡 度和电机的最大转矩确定最大传动比的下限 imax0 i0i1为 imax0 mgfcos max mgsin max cDAu2 i 21 15 r Tmax T 14 2 最大传动比上限 根据最大驱动力必须小于 等于驱动轮与路面之间的附着力 可确定最大传动比 的上限 imax1为 6 imax1 F zr T mgrb Tmax l T 15 3 最小传动比下限 最小传动比的下限 imin0 i0i2由车辆按最高速度行驶的阻力限定 imax0 r Tmax T mgf cDAu2 max 21 15 16 4 最小传动比上限 根据车辆最高稳定车速和 电机最高转速限定最小传动比 imin1为 imin1 0 377nmaxr umax 17 5 主减速器传动比的上限 为避免安装过程中 主减速器与其他零件发生干涉 一般限制主减速器传 动比 i0上限 i0 5 8 18 6 2 挡传动比下限 根据超速挡传动比的范围 一般为 0 7 0 8 限制 2 挡传动比 i2下限 i2 0 7 19 7 相邻传动比约束 为避免换挡困难 设置相 邻传动比约束为 1 2 i1 i2 1 8 20 4 3优化模型及策略 传动系参数的优化属于非线性约束优化问题 传统 的多目标优化多是采用加权的方法将多个目标集合成 一个单目标来优化 但是在优化过程中确定各个目标的 加权值较困难 多目标优化平台 modeF ONTIE 提供 了多种优化算法 且提供了与 GT suite 等各种 CAD CAE 软件的无缝接口 本文是将建立的整车仿真模型 嵌套入 modeF ONTIE 环境中 以 0 100 km h 1原 地起步加速时间及单个 UDDC 循环中动力电池的能耗 为优化目标 并采用 DOE 实验设计和改进的遗传算法 MOGA 相结合的方法进行传动比优化 建立的模 型如图4 所示 图 4 PEV 传动比优化模型 4 4优化结果分析 在联合仿真环境中 通过 DOE 产生 10 个初始种 群 并采用 MOGA 优化算法进化20 代 产生了200 个优化方案 在这些优化方案中有 128 个可行解 其种 群分布如图 5 所示 图 5优化生成的种群分布 在优化计算后生成的一组 Pareto 最优解中 根据 实际情况和目标需要选取一组较为理想的传动比 优 化前后的结果如表 4 所示 经对比发现 通过优化传动比 0 100 km h 1原 地起步加速时间降低了 2 9 单个 UDDC 循环中整 车能耗降低 5 5 UDDC 循环下一次充电续驶里程提 高至 234 41 km 说明目标车辆的动力性及经济性均 有一定程度的提高 表 4优化前后结果对比 参数优化前优化后变化率 主减速器传动比3 1703 574 1 挡传动比 2 1042 995 2 挡传动比 0 9661 666 0 100 km h 1加速时间 s 19 14518 5822 9 1 个 UDDC 循环能耗 kJ5 395 25 100 95 5 45 孙景伦 等 纯电动汽车动力传动系参数匹配及仿真协议 算法及仿真 www dianzikeji org 5结束语 1 在数学计算模型的基础上 根据整车参数和 性能指标的要求 为目标车辆匹配并选型了比较理想 的驱动电机和动力电池 2 利用 GT drive 搭建了静力学 运动学及动力 学整车仿真模型 并将仿真计算结果与实车试验结果 进行对比分析 验证了对动力传动主要部件的选取是 合适的 同时也证明了整车仿真模型的精度 3 通过 modeF ONTIE 和 GT suite 联合仿真 并采用多目标优化设计 使 PEV 的动力性及经济性均 得到一定程度的改善 验证了基于仿真分析的优化设 计方法效率高且能节约时间和金钱成本 参考文献 1 陈清泉 孙逢春 祝嘉光 现代电动汽车技术 M 北京 北京理工大学出版社 2004 2 en Qinglian Crolla David Morris Adrian Effect of geared transmissions on electric vehicle drive trains C Tianjin ASME International Design Engineering Technical Confer ence and Computers and Information in Engineering Confer ence 2009 3 殷承良 张建龙 新能源汽车整车设计 M 上海 上海科 学技术出版社 2013 4 周胜 周云山 纯电动汽车动力匹配及计算仿真 J 计算 机仿真 2013 30 2 135 139 5 周宝华 秦大同 胡明辉 等 两挡电动汽车动力传动系的 参数设计 J 重庆大学学报 2011 34 1 1 6 6 余志生 汽车理论 M 北京 机械工业出版社 2009 7 周兵 江清华 杨易 两挡变速器纯电动汽车动力性经济 性双目标的传动比优化 J 汽车工程 2011 33 9 792 797 8 李伟 阴晓峰 武小花 基于电机效率优化的纯电动汽车 换挡规律 J 机械传动 2014 38 1 150 153 9 王小军 电动汽车传动系统参数匹配及动态特性研究 D 长沙 湖南大学 2013 10 钟磊 高松 张令勇 纯电动轿车动力传动装置参数匹配 与动力性仿真 J 山东理工大学学报 2010 24 1 78 80 11 王小军 电动汽车传动系统参数匹配及动态特性研究 D 长沙 湖南大学 2013 12 周晶晶 纯电动汽车两挡自动变速器试验与仿真 D 长 沙 湖南大学 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 2014 上接第 50 页 处理实时性的要求 同时 可增强算法的抗噪声能力 和对图像进行变化的鲁棒性 医学图像深度信息恢复 结果进一步验证了该算法的有效性 对医学图像进行 三维重建 实现从二维图像到三维空间的重构 使结果 更接近人眼所能反映出的图像 将是下一步研究工作 的目标 参考文献 1 沈洪宇 柴毅 计算机视觉中双目视觉综述 J 科技资 讯 2007 34 150 151 2 Zhang Hui A fast binocular vision stereo matching algorithm C Wuhan China Proceeding of 2012