CN109033531A - 一种基于多目标规划的电动汽车动力匹配优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多目标规划的电动汽车动力匹配优化方法。方法首先确定电动汽车的整车性能指标及关键参数；接下来通过物理公式进行动力***初步选型计算，并结合市场等因素确定多种动力***选型方案；接下来，使用Cruise软件仿真，评价不同动力匹配方案对应的整车性能；最后，综合考虑各匹配方案的动力性能、经济性能、成本等多方面因素，使用多目标规划优序解法确定综合最优的动力匹配方案。本发明根据企业备选电机、电池等部件的参数计算出最高车速、续航里程等整车性能指标，并结合成本等因素从多个方案中筛选出最优匹配方案，对电动汽车实际研发具有重要指导作用。

Description

一种基于多目标规划的电动汽车动力匹配优化方法

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，尤其涉及一种基于多目标规划的电动汽车动力匹配优化方法。

背景技术

电动汽车的动力***匹配设计，是电动汽车产品研发中关键的一步，动力***匹配设计对电动汽车的最高车速、最大爬坡度、加速能力、行驶效率、续驶里程等整车性能起着决定性的作用。

目前，电动汽车的动力***匹配研究，主要是从整车的性能指标出发，计算所需的电机、电池相关参数。但在企业实际的汽车研发过程中，往往是先有某几款电机、电池的备选方案，再根据每个匹配方案的成本及对应的整车性能进行筛选。因此，如何根据企业备选电机、电池等部件的参数计算出最高车速、续航里程等整车性能指标，并结合成本等因素从多个方案中筛选出最优匹配方案，需要进行基于多目标优化的动力匹配，这对电动汽车实际研发具有重要指导作用。

发明内容

针对现有的技术空白和缺点，本发明旨在解决现有匹配方法中不能兼顾企业对于电动汽车整车动力性、经济性、成本控制等多方面需求问题，提供一种基于多目标规划的电动汽车动力匹配优化方法。本发明具体采用的技术方案如下：

一种基于多目标规划的电动汽车动力匹配优化方法包括以下步骤：

1)对电机进行选型，选型要求为：根据电机峰值功率与动力性能的关系，电机峰值功率P_max要不小于电动汽车最高车速时所需电机功率P_max,v、最大爬坡度时所需电机功率P_max,a和加速时间所需电机功率P_max,t；根据电机峰值转矩与动力性能的关系，电机峰值转矩T_max不小于电动汽车最高车速时所需电机转矩T_max,v、最大爬坡度时所需电机转矩T_max,a和加速时间所需电机转矩T_max,t；根据电机峰值转速与动力性能的关系，确定最高车速下的电机峰值转速n_max；电机选型完成后，确定符合要求的所有备选电机的参数；

2)对电池进行选型，选型要求为：根据匀速行驶时的电机输出功率及能达到的最大续驶里程确定动力电池的容量C_b；根据电机能够达到峰值功率与扭矩确定电池组的最大放电电流I_b,max和额定电压U_m,e；电池选型完成后，确定符合要求的所有备选电池的参数；

3)匹配减速器的传动比范围：减速器的传动比i必须不小于由电机峰值转速与电动汽车最高车速决定的传动比i_min，也必须不大于由电机峰值转速点对应的最大转矩与电动汽车最高车速时的行驶阻力决定的传动比i_max1，也必须不大于由电机峰值转矩与电动汽车最大爬坡度时的行驶阻力决定的传动比i_max2；匹配完成后，确定符合要求的所有备选减速器的参数；

4)根据步骤1)、2)、3)确定的动力***零部件参数，组合形成q种备选动力***匹配方案；

5)在Cruise软件中搭建电动汽车的整车模型，输入每种备选动力***匹配方案的动力***零部件参数，通过仿真计算获得每种方案下电动汽车的性能参数，所述性能参数包括最高车速、百公里加速时间、最大爬坡度、NEDC循环工况续驶里程；

6)在步骤5)中获得的电动汽车性能参数基础上，确定p项需要优化的目标函数，采用多目标优化优序解法，对q种动力***匹配方案进行综合比较，确定最优匹配方案。

作为优选，所述步骤1)中，所述电机峰值功率P_max、电动汽车最高车速时所需电机功率P_max,v、最大爬坡度时所需电机功率P_max,a、加速时间所需电机功率P_max,t，计算公式如下：

P_max≥max{P_max,v,P_max,a,P_max,t}

其中v_max为最高车速，η_t为传动系总效率，m_t为整备质量，g为重力加速度，f为滚动阻力，C_D为空气阻力系数，A为正面投影面积，v_i为最大爬坡时车速，M为满载质量，α_max为最大爬坡角度，v_t为加速时间对应车速，δ旋转质量换算系数，t_acc为0-v_t加速时间。

作为优选，所述步骤1)中，所述电机峰值转矩T_max、电动汽车最高车速时所需电机转矩T_max,v、最大爬坡度时所需电机转矩T_max,a、加速时间所需电机转矩T_max,t，的计算公式如下：

T_max≥max{T_max,v,T_max,a,T_max,t}

其中i为传动比，r为车轮滚动半径。

作为优选，所述步骤1)中，所述最高车速下的电机峰值转速n_max计算公式如下：

作为优选，所述步骤2)中，所述动力电池的容量C_b计算公式如下：

其中S为续驶里程，e为单位距离消耗能量，U_b,e为电池模块额定工作电压，DOD为放电深度，η_m为电机效率，v_e为经济车速。

作为优选，所述步骤2)中，所述最大放电电流I_b,max计算公式如下：

其中N_m为电机数量。

作为优选，步骤3)中所述的减速器的传动比i计算如下：

i_min≤i≤min{i_max1,i_max2}

其中i_min为由电机峰值转速与电动汽车最高车速决定的传动比，i_max1为由电机峰值转速点对应的最大转矩与电动汽车最高车速时的行驶阻力决定的传动比，i_max2为由电机峰值转矩与电动汽车最大爬坡度时的行驶阻力决定的传动比，T_nmax为电机峰值转速点对应的最大转矩。

作为优选，所述步骤6)中，采用多目标优化优序解法，对q种动力***匹配方案进行综合比较，确定最优匹配方案，具体包含以下子步骤：

61)记P＝{1,2,…,p}，Q＝{1,2,…,q}，f_l(xⁱ)(l∈P；i∈Q)表示第i种匹配方案的第l项目标函数，多目标规划问题的数学模型为：

minf(x)＝(k₁f₁(x),k₂f₂(x)，…，k_pf_p(x))

其中：

62)计算优序数：

其中为第l个目标的可行解xⁱ与所有其它可行解x^j比较时的优序数；

63)取优序数加权和

其中ω_l为第l个目标函数的加权系数，且满足

64)选择K_i值最大对应的方案为最优匹配方案。

本发明的一种基于多目标规划的电动汽车动力匹配优化方法，根据企业期望的车辆性能指标，通过物理公式计算获得动力***的参数标准，使用Cruise软件仿真，评价不同动力匹配方案对应的整车性能。最后，综合考虑各匹配方案的动力性能、经济性能、成本等多方面因素，使用多目标规划优序解法确定综合最优的动力匹配方案。相比于现有的电动汽车动力匹配方法，本发明方法符合企业电动汽车开发工程实际，且能够有效筛选动力***的选型方案、优化整车性能。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是Cruise软件电动汽车整车性能仿真分析流程示意图；

图3是轮边电机分布式驱动动力***布置形式。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，一种基于多目标规划的电动汽车动力匹配优化方法包括以下步骤：

1)对电机进行选型，选型要求为：根据电机峰值功率与动力性能的关系，电机峰值功率P_max要不小于电动汽车最高车速时所需电机功率P_max,v、最大爬坡度时所需电机功率P_max,a和加速时间所需电机功率P_max,t；根据电机峰值转矩与动力性能的关系，电机峰值转矩T_max不小于电动汽车最高车速时所需电机转矩T_max,v、最大爬坡度时所需电机转矩T_max,a和加速时间所需电机转矩T_max,t；根据电机峰值转速与动力性能的关系，确定最高车速下的电机峰值转速n_max。各参数的计算方法如下：

a)电机峰值功率P_max不小于电动汽车最高车速时所需电机功率P_max,v、最大爬坡度时所需电机功率P_max,a、加速时间所需电机功率P_max,t

P_max≥max{P_max,v,P_max,a,P_max,t}

其中：v_max为最高车速；v_i为最大爬坡时车速；α_max为最大爬坡角度；v_t为加速时间对应车速；t_acc为0-v_t加速时间；g为重力加速度；f为滚动阻力；C_D为空气阻力系数；A为正面投影面积；M为满载质量；m_t为整备质量；η_t传动系总效率；δ旋转质量换算系数。

b)电机峰值转矩T_max不小于电动汽车最高车速时所需电机转矩T_max,v、最大爬坡度时所需电机转矩T_max,a、加速时间所需电机转矩T_max,t

T_max≥max{T_max,v,T_max,a,T_max,t}

其中；i为传动比；r为车轮滚动半径。

c)计算电机峰值转速

其中；n_max为电机峰值转速。

从待选的电机中选择出若干个备选电机，备选电机的相关参数不能低于上述要求。电机选型完成后，确定符合要求的所有备选电机的参数。

2)对电池进行选型，选型要求为：根据匀速行驶时的电机输出功率及能达到的最大续驶里程确定动力电池的容量C_b；根据电机能够达到峰值功率与扭矩确定电池组的最大放电电流I_b,max和额定电压U_m,e。参数的计算方法如下：

a)动力电池的容量C_b主要由电动汽车的续驶里程决定：

其中：S为续驶里程；e为单位距离消耗能量；U_b,e为电池模块额定工作电压；

DOD为放电深度。

其中，单位距离消耗能量e的计算如下：

其中：η_m为电机效率，v_e为经济车速。

b)根据电机能够达到峰值功率与扭矩确定电池组的最大放电电流I_b,max和额定电压U_m,e，最大放电电流I_b,max与额定电压U_m,e有关，电池最大放电电流I_b,max要满足如下公式：

其中N_m为电机数量。

从待选的电池中选择出若干个备选电池，备选电池的相关参数不能低于上述要求。电池选型完成后，确定符合要求的所有备选电池的参数。

3)匹配减速器的传动比范围：根据步骤1)、步骤2)中的公式，减速器的传动比i必须不小于由电机峰值转速与电动汽车最高车速决定的传动比i_min，也必须不大于由电机峰值转速点对应的最大转矩与电动汽车最高车速时的行驶阻力决定的传动比i_max1，也必须不大于由电机峰值转矩与电动汽车最大爬坡度时的行驶阻力决定的传动比i_max2。参数的计算方法如下：

i_min≤i≤min{i_max1,i_max2}

其中，T_nmax为电机峰值转速点对应的最大转矩，计算如下：

从待选的减速器中选择出若干个备选减速器，备选减速器的相关参数不能低于上述要求。匹配完成后，确定符合要求的所有备选减速器的参数。

上述备选电机、电池、减速器的具体数量可以根据需要进行确定，如某些部件已确定了型号，则可仅选用该型号。

4)根据步骤1)、2)、3)确定的动力***零部件(电机、电池、减速器)参数，组合形成q种备选动力***匹配方案，q的具体数值可根据组合数进行确定。

5)在Cruise软件中搭建电动汽车的整车模型，输入每种备选动力***匹配方案的动力***零部件参数，通过仿真计算获得每种方案下电动汽车的最高车速、百公里加速时间、最大爬坡度、NEDC循环工况续驶里程等性能参数。Cruise软件电动汽车整车性能仿真分析流程如图2所示。

6)在步骤5)中获得的电动汽车性能参数基础上，确定p项需要优化的目标函数，需要优化的目标函数可在步骤5)获得的性能参数上，根据厂家需要进行调整，也可以增加成本、经济性能等方面的目标函数。采用多目标优化优序解法，对q种动力***匹配方案在动力性能、经济性、成本等方面进行综合比较，确定最优匹配方案。

多目标优化优序解法的具体步骤如下：

61)记P＝{1,2,…,p}，Q＝{1,2,…,q}，f_l(xⁱ)(l∈P；i∈Q)表示第i种匹配方案的第l项目标函数，多目标规划问题的数学模型为：

minf(x)＝(k₁f₁(x),k₂f₂(x)，…，k_pf_p(x))

其中：

62)计算优序数：

其中为第l个目标的可行解xⁱ与所有其它可行解x^j(j≠i)比较时的优序数；

63)取优序数加权和

其中ω_l为第l个目标函数的加权系数，且满足

64)选择K_i值最大对应的方案为最优匹配方案。

下面将上述方法应用于具体实施例中，以便本领域技术人员能够更好地理解本发明的效果。

实施例

本实施例使用本发明提出的动力***匹配优化设计方法，匹配设计采用轮边电机分布式四驱电动汽车的新型动力***，由四个轮边电机驱动，每个轮边电机输出的动力都会经过一个减速器再传递到车轮，该电动汽车的布置形式如图3所示。

其整车参数为整备质量1720kg，满载质量2050kg，车轮半径0.311m，正面投影面积2.60m²，传动总效率95％，空气阻力系数0.398，重力加速度9.8m/s²，经济车速为60km/h。

1)电机选型：受企业资源及成本限制，该电机选型已经确定，用符号M1表示，相关参数为电机最大功率24kW、电机最大转矩110N·m、电机最大转速8000r/min、电机额定转速3500r/min。

2)电池选型：电池有两种选择，分别用符号B1、B2表示，B1相关参数为额定电压325.6V、放电终止电压264V、最大放电电流249.6A、峰值放电电流240A、电池总能量124.8Ah、电池总能量40.64kWh；B2相关参数为额定电压325.6V、放电终止电压264V、最大放电电流371.2A、峰值放电电流240A、电池总能量185.6Ah、电池总能量60.44kWh。

3)匹配传动比范围：经过初步的物理公式计算，并考虑到减速器的设计加工限制，减速器的传动比在6～7.5之间，因此确定减速器传动比有6.0、6.5、7.0、7.5四种选择。

4)综上，该电动汽车的动力***选型共有8种方案如下表所示：

5)Cruise软件仿真：在Cruise软件中搭建电动汽车的整车模型，输入不同方案下的电机、电池、减速器等参数，仿真计算获得8种方案的最高车速(km/h)、最大爬坡角度(％)、0-60km/h加速时间(s)、60-100km/h加速时间(s)、续驶里程(km)等性能如下表所示：

6)多目标规划优序解法：在本案例中，除了考虑动力性、经济形等性能因素，还需要考虑车辆的制造成本：减速器成本受传动比影响不大；以目前行业形势200美元/kWh为参考，确定电池价格如下表所示。

因此，共有最高车速、最大爬坡角度、0-60km/h加速时间、60-100km/h加速时间、续驶里程、电池成本共计6个目标函数，分别用f_l(x)(l＝1,2,…,6)表示，各目标函数的加权系数值分别为0.15、0.15、0.1、0.1、0.2、0.3。

列表查看八种匹配方案的各个目标函数值与其他方案比较时的优序数，如下表所示。

根据计算结果，方案M1B1R2的优序数加权和K_i值最大为4，即选用总能量为40.64kWh的电池(B1)、减速器传动比取6.5(R2)为最优方案。根据企业对车辆各性能参数及成本的重视程度，对加权系数取不同的值，会得到不同的优化结果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于多目标规划的电动汽车动力匹配优化方法，其特征在于包括以下步骤：

1)对电机进行选型，选型要求为：根据电机峰值功率与动力性能的关系，电机峰值功率P_max要不小于电动汽车最高车速时所需电机功率P_max,v、最大爬坡度时所需电机功率P_max,a和加速时间所需电机功率P_max,t；根据电机峰值转矩与动力性能的关系，电机峰值转矩T_max不小于电动汽车最高车速时所需电机转矩T_max,v、最大爬坡度时所需电机转矩T_max,a和加速时间所需电机转矩T_max,t；根据电机峰值转速与动力性能的关系，确定最高车速下的电机峰值转速n_max；电机选型完成后，确定符合要求的所有备选电机的参数；

2)对电池进行选型，选型要求为：根据匀速行驶时的电机输出功率及能达到的最大续驶里程确定动力电池的容量C_b；根据电机能够达到峰值功率与扭矩确定电池组的最大放电电流I_b,max和额定电压U_m,e；电池选型完成后，确定符合要求的所有备选电池的参数；

3)匹配减速器的传动比范围：减速器的传动比i必须不小于由电机峰值转速与电动汽车最高车速决定的传动比i_min，也必须不大于由电机峰值转速点对应的最大转矩与电动汽车最高车速时的行驶阻力决定的传动比i_max1，也必须不大于由电机峰值转矩与电动汽车最大爬坡度时的行驶阻力决定的传动比i_max2；匹配完成后，确定符合要求的所有备选减速器的参数；

4)根据步骤1)、2)、3)确定的动力***零部件参数，组合形成q种备选动力***匹配方案；

5)在Cruise软件中搭建电动汽车的整车模型，输入每种备选动力***匹配方案的动力***零部件参数，通过仿真计算获得每种方案下电动汽车的性能参数，所述性能参数包括最高车速、百公里加速时间、最大爬坡度、NEDC循环工况续驶里程；

6)在步骤5)中获得的电动汽车性能参数基础上，确定p项需要优化的目标函数，采用多目标优化优序解法，对q种动力***匹配方案进行综合比较，确定最优匹配方案。

2.根据权利要求1所述的一种基于多目标规划的电动汽车动力匹配优化方法，其特征在于所述步骤1)中，所述电机峰值功率P_max、电动汽车最高车速时所需电机功率P_max,v、最大爬坡度时所需电机功率P_max,a、加速时间所需电机功率P_max,t，计算公式如下：

P_max≥max{P_max,v,P_max,a,P_max,t}

其中v_max为最高车速，η_t为传动系总效率，m_t为整备质量，g为重力加速度，f为滚动阻力，C_D为空气阻力系数，A为正面投影面积，v_i为最大爬坡时车速，M为满载质量，α_max为最大爬坡角度，v_t为加速时间对应车速，δ旋转质量换算系数，t_acc为0-v_t加速时间。

3.根据权利要求1所述的一种基于多目标规划的电动汽车动力匹配优化方法，其特征在于所述步骤1)中，所述电机峰值转矩T_max、电动汽车最高车速时所需电机转矩T_max,v、最大爬坡度时所需电机转矩T_max,a、加速时间所需电机转矩T_max,t，的计算公式如下：

T_max≥max{T_max,v,T_max,a,T_max,t}

其中i为传动比，r为车轮滚动半径。

4.根据权利要求1所述的一种基于多目标规划的电动汽车动力匹配优化方法，其特征在于所述步骤1)中，所述最高车速下的电机峰值转速n_max计算公式如下：

5.根据权利要求1所述的一种基于多目标规划的电动汽车动力匹配优化方法，其特征在于所述步骤2)中，所述动力电池的容量C_b计算公式如下：

其中S为续驶里程，e为单位距离消耗能量，U_b,e为电池模块额定工作电压，DOD为放电深度，η_m为电机效率，v_e为经济车速。

6.根据权利要求1所述的一种基于多目标规划的电动汽车动力匹配优化方法，其特征在于所述步骤2)中，所述最大放电电流I_b,max计算公式如下：

其中N_m为电机数量。

7.根据权利要求1所述的一种基于多目标规划的电动汽车动力匹配优化方法，其特征在于步骤3)中所述的减速器的传动比i计算如下：

i_min≤i≤min{i_max1,i_max2}

其中i_min为由电机峰值转速与电动汽车最高车速决定的传动比，i_max1为由电机峰值转速点对应的最大转矩与电动汽车最高车速时的行驶阻力决定的传动比，i_max2为由电机峰值转矩与电动汽车最大爬坡度时的行驶阻力决定的传动比，T_nmax为电机峰值转速点对应的最大转矩。

8.根据权利要求1所述的一种基于多目标规划的电动汽车动力匹配优化方法，其特征在于所述步骤6)中，采用多目标优化优序解法，对q种动力***匹配方案进行综合比较，确定最优匹配方案，具体包含以下子步骤：

61)记P＝{1,2,…,p}，Q＝{1,2,…,q}，f_l(xⁱ)(l∈P；i∈Q)表示第i种匹配方案的第l项目标函数，多目标规划问题的数学模型为：

minf(x)＝(k₁f₁(x),k₂f₂(x)，…，k_pf_p(x))

其中：

62)计算优序数：

其中为第l个目标的可行解xⁱ与所有其它可行解x^j比较时的优序数；

63)取优序数加权和

其中ω_l为第l个目标函数的加权系数，且满足

64)选择K_i值最大对应的方案为最优匹配方案。