某款純電動(dòng)物流車動(dòng)力系統(tǒng)匹配與優(yōu)化

孫貴斌　路廣威　熊敏

摘 要：文章以一款自動(dòng)擋純電動(dòng)物流車為研究對(duì)象，在對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)分析及整車設(shè)計(jì)需求的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行合理的參數(shù)匹配。為進(jìn)一步提高整車性能，采取一種多目標(biāo)遺傳算法的優(yōu)化方案，對(duì)整車的傳動(dòng)系參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在ADVISOR仿真平臺(tái)下搭建整車模型并對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，文中對(duì)自動(dòng)擋純電動(dòng)物流車的參數(shù)匹配以及采取的優(yōu)化方案是合理的。關(guān)鍵詞：自動(dòng)擋純電動(dòng)物流車;參數(shù)匹配;ADVISOR仿真;優(yōu)化中圖分類號(hào)：U469.7? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）01-21-05

Abstract： Taking an automatic transmission pure electric logistics vehicle as the research object， on the basis of relevant analysis of its power system structure and vehicle design requirements， reasonable parameter matching is carried out. In order to further improve the performance of the vehicle， a multi-objective genetic algorithm was adopted to optimize the trans -mission parameters of the vehicle. The whole vehicle model is established under the ADVISOR simulation platform and verified by simulation. The simulation results show that the parameter matching and optimization scheme adopted for the automatic transmission pure electric logistics vehicle is reasonable.Keywords： Automatic transmission pure electric logistics vehicle; Parameter match; The ADVISOR simulation; OptimizationCLC NO.： U469.7 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）01-21-05

前言

近年來配送行業(yè)與輕物流的飛速發(fā)展，極大地促進(jìn)了我國城市物流運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展。由于市場需求以及國家相關(guān)政策的扶持，對(duì)純電動(dòng)物流車的需求急劇增加。目前，對(duì)于純電動(dòng)汽車，因?yàn)殡姵丶夹g(shù)發(fā)展遇到瓶頸仍沒有突破性的進(jìn)展，因此合理匹配及優(yōu)化純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)純電動(dòng)汽車就顯得更加重要^[1]。

本文以一款自動(dòng)擋純電動(dòng)物流車為研究對(duì)象，在對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)分析及整車設(shè)計(jì)需求的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行合理的參數(shù)匹配，然后建立加速度和能量消耗最多目標(biāo)優(yōu)化模型，利用遺傳算法對(duì)其傳動(dòng)系速比進(jìn)行優(yōu)化，最后利用ADVISOR對(duì)整車性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 整車基本參數(shù)與性能指標(biāo)要求

在綜合分析整車結(jié)構(gòu)后，本文中純電動(dòng)物流車決定采取單檔機(jī)械式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，即去掉離合器和變速箱，直接將電機(jī)、減速器以及差速器組合在一起，這樣減少了整車的質(zhì)量與底盤所占用的空間，有利于其他部件的布置，同時(shí)減少了整車的研發(fā)時(shí)間;另一方面對(duì)于動(dòng)力電池采取整體式分布的布局，設(shè)計(jì)一款新的電池包結(jié)構(gòu)，使動(dòng)力電池全部集中在車身地板下部的位置上，這樣可以提高整車的操縱性與平穩(wěn)性也使得載荷均勻的分布。其整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三維模型如圖1所示。

整車基本參數(shù)如下表1所示，性能指標(biāo)要求如表2所示。

2 純電動(dòng)物流車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.1 電機(jī)參數(shù)匹配

驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)的匹配主要是指對(duì)其峰值功率、額定功率、最高轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速等參數(shù)的確定^[2]。

2.1.1 電機(jī)額定功率和峰值功率的確定

純電動(dòng)物流車電機(jī)的峰值功率需要能夠同時(shí)滿足最高車速、最大爬坡度以及加速時(shí)間所需的功率^[3]，即：

2.1.2 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速的確定

根據(jù)目標(biāo)車型的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于純電動(dòng)物流車的最高車速，即：

2.1.3 電機(jī)最高轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩的確定

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)矩T_max應(yīng)當(dāng)滿足車輛低速行駛時(shí)能夠通過最大爬坡度：

綜上計(jì)算，最終確定選取一款永磁同步電機(jī)最為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其基本參數(shù)如表3所示。

2.2 動(dòng)力電池參數(shù)匹配

設(shè)計(jì)動(dòng)力電池組時(shí)首先應(yīng)該滿足整車動(dòng)力性，其次再保證整車?yán)m(xù)駛里程的設(shè)計(jì)要求^[4]。本文中純電動(dòng)物流車選取的動(dòng)力電池是磷酸鐵鋰電池，其標(biāo)稱電壓為3.2v。

動(dòng)力電池的單體數(shù)量可以通過對(duì)動(dòng)力電池的要求來計(jì)算。根據(jù)所確定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能可得到計(jì)算電池組數(shù)目公式如下：

根據(jù)以上對(duì)傳動(dòng)系傳動(dòng)比范圍的分析及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定主減速比為4.875，同時(shí)計(jì)算得出在該速比下純電動(dòng)物流車滿足整車的動(dòng)力性要求，故本文采用固定速比減速器，其主減速比為4.875。

3 純電動(dòng)物流車動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化

純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系優(yōu)化是多目標(biāo)的函數(shù)優(yōu)化問題，遺傳算法它正是解決此類問題的有效方法^[6].

3.1 選擇優(yōu)化目標(biāo)

本文主要以純電動(dòng)物流車傳動(dòng)系的參數(shù)作為優(yōu)化變量。針對(duì)傳動(dòng)系進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，通常是以主減速比和變速器傳動(dòng)比為優(yōu)化變量^[7]。由于本文純電動(dòng)物流車沒有變速箱，因此僅選擇主減速器速比作為優(yōu)化變量即：

3.4 優(yōu)化算法計(jì)算

根據(jù)上文得出的目標(biāo)函數(shù)和約束條件調(diào)用 MATLAB 遺傳算法工具箱進(jìn)行編程優(yōu)化計(jì)算^[8]，得到遺傳算法下的傳動(dòng)系速比優(yōu)化結(jié)果，如下表5所示：

4 ADVISOR整車仿真

4.1 構(gòu)建整車仿真模型

在ADVISOR整車參數(shù)輸入界面，根據(jù)匹配參數(shù)對(duì)純電動(dòng)物流車主要部件模塊的m文件進(jìn)行修改重新定義來搭建整車仿真模型，其主要部件模塊包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池、主減速器和車輪等^[9]。

4.2 整車仿真分析

1、在完成對(duì)純電動(dòng)物流車整車模塊的搭建后，選取歐洲城市工況CYC_NEDC對(duì)其動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真，其中單個(gè)工況中車速隨時(shí)間變化如下圖2所示，設(shè)置相應(yīng)的爬坡度及加速度的計(jì)算任務(wù)。圖3為仿真實(shí)際車速曲線，對(duì)比可知車輛能很好的跟隨該循環(huán)工況^[10]。圖4、圖5分別為仿真后電機(jī)的效率圖與動(dòng)力電池的SOC變化曲線。

由圖4可知?jiǎng)恿﹄姵亟M的SOC值在整個(gè)循環(huán)過程中保持平穩(wěn)下降趨勢，且整個(gè)放電狀態(tài)較為穩(wěn)定，滿足實(shí)際情況;圖5可以看出驅(qū)動(dòng)電機(jī)在仿真過程中其工作效率大部分處于0.9左右。表明對(duì)純電動(dòng)物流車的匹配基本滿足要求。

利用ADVISOR搭建整車模型并進(jìn)行仿真，整車性能仿真結(jié)果如下表6所示;圖6為優(yōu)化前后動(dòng)力電池SOC變化。

圖6? 優(yōu)化前后SOC變化曲線

由表4可知優(yōu)化前純電動(dòng)物流車的最高車速未能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，而優(yōu)化后純電動(dòng)物流車的整體性能有了一定的提高，其動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性都有了一定的改善。其中最高車速較之提升了5%左右，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo);續(xù)駛里程較之前上升了9.8%左右，雖然0-50km加速時(shí)間與爬坡度較優(yōu)化前有所下降，但仍滿足整車的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5 結(jié)論

根據(jù)整車設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，對(duì)自動(dòng)擋純電動(dòng)物流車主要部件進(jìn)行匹配，然后利用遺傳算法，對(duì)其傳動(dòng)系速比進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。之后利用ADVISOR仿真平臺(tái)進(jìn)行整車性能仿真。由結(jié)果可知整車參數(shù)的匹配基本符合要求，同時(shí)在遺傳算法的優(yōu)化下純電動(dòng)物流車的整體性能有了一定的提高，其動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性都有了一定的改善。驗(yàn)證了利用遺傳算法進(jìn)行傳動(dòng)比優(yōu)化的準(zhǔn)確可行性，為之后純電動(dòng)物流車整車參數(shù)的匹配與優(yōu)化提供了一定的參考價(jià)值。

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