基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的純電動(dòng)汽車(chē)減速器速比優(yōu)化研究

張洪雷 方運(yùn)舟 龔春忠張永

摘要：針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)減速器速比匹配問(wèn)題，本文提出一種基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的優(yōu)化理論，基于MATLAB建模方法對(duì)電動(dòng)汽車(chē)速比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得更接近實(shí)際最優(yōu)狀態(tài)的減速器速比。該方法可應(yīng)用于未來(lái)汽車(chē)的定制化服務(wù)中，達(dá)成降低能耗、提升續(xù)航的目標(biāo)。實(shí)例分析中，使用大數(shù)據(jù)技術(shù)的速比優(yōu)化相對(duì)于使用基于模型的速比優(yōu)化的情況，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率提高1.34%，百公里能量消耗率降低0.174kwh/100km。

關(guān)鍵詞：減速器速比優(yōu)化;大數(shù)據(jù);汽車(chē)工況;汽車(chē)能量消耗率

中圖分類(lèi)號(hào)：U462.3+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：J 文章編號(hào)：1005-2550（2020）02-0010-05

張洪雷

華中科技大學(xué)碩士，高級(jí)工程師，浙江合眾新能源汽車(chē)有限公司汽車(chē)工程研究院常務(wù)副院長(zhǎng)，主要從事汽車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)逐漸進(jìn)入電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的“新四化”階段。汽車(chē)的整車(chē)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)過(guò)程也發(fā)生了相應(yīng)的微調(diào)。并行開(kāi)發(fā)、定制化產(chǎn)品逐漸成為主流。

傳統(tǒng)的汽車(chē)速比匹配，至少需要執(zhí)行以下工作：首先，通過(guò)車(chē)輛的滑行試驗(yàn)或者仿真數(shù)據(jù)獲取車(chē)輛的道路阻力系數(shù);其次，通過(guò)當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)確定所選擇的工況，中國(guó)地區(qū)當(dāng)前使用NEDC（New Europe Driving Cycle）工況，正準(zhǔn)備推CLTC（China Tjght Vehicle Test Procedure）工況，歐洲地區(qū)當(dāng)前使用WLTC（World Light VehicleTest Procedure）工況;接著，通過(guò)電機(jī)效率試驗(yàn)或仿真獲得效率MAP;最后是仿真不同速比進(jìn)行尋優(yōu)工作。然而該方法過(guò)程過(guò)多，每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)有誤差引入，導(dǎo)致結(jié)果與實(shí)際情況相差較大，且工況中不能反應(yīng)坡道情況、駕駛員操作習(xí)慣等信息。

當(dāng)前，智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)迅速發(fā)展，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)獲取車(chē)輛的狀態(tài)信息已變得簡(jiǎn)單易行。利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，反饋給汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)者以完成車(chē)輛的優(yōu)化設(shè)計(jì)是汽車(chē)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文通過(guò)大數(shù)據(jù)采集技術(shù)獲取車(chē)輛的動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)據(jù)，依此進(jìn)行減速器速比優(yōu)化。

1各類(lèi)減速器速比優(yōu)化流程

減速器速比優(yōu)化是動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工作之一，通常使用車(chē)輛動(dòng)力性模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)模型輸入數(shù)據(jù)的不同，分為設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在實(shí)車(chē)做出來(lái)之前，通常只能用設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。在模型車(chē)做出來(lái)之后，可以將模型中的部分?jǐn)?shù)據(jù)替換為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以令結(jié)果更接近實(shí)際情況。

1.1基于設(shè)計(jì)模型的減速器速比優(yōu)化流程

汽車(chē)動(dòng)力性系統(tǒng)的建模有多種工具，例如ADVISOR、AVL CRUISE等?；蛘呋贛ATLAB等工具建立數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)建模需要輸入迎風(fēng)面積、風(fēng)阻系數(shù)、車(chē)輪滾阻系數(shù)、整車(chē)重量、傳動(dòng)系統(tǒng)效率等信息;電機(jī)MAP的獲取，通常使用電機(jī)的電磁仿真數(shù)據(jù)獲取;道路的載荷則通過(guò)選定工況和模型仿真的阻力系數(shù)確定。最終所有的數(shù)據(jù)進(jìn)入整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型中仿真確定最優(yōu)速比。如圖1所示：

1.2基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的減速器速比優(yōu)化方案

模型中假設(shè)的數(shù)據(jù)越多，模型的可信度越差。因?yàn)榧僭O(shè)誤差會(huì)通過(guò)模型精度影響進(jìn)一步放大。為提高精度，需要使用部分模型數(shù)據(jù)由試驗(yàn)數(shù)據(jù)替代。對(duì)于速比匹配的工作，通常在樣車(chē)階段或選擇近似競(jìng)品車(chē)型進(jìn)行滑行試驗(yàn)，獲得道路阻力系數(shù)。并通過(guò)電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，獲得電機(jī)效率MAP特性。這兩種數(shù)據(jù)再導(dǎo)入到整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型中進(jìn)行速比優(yōu)化。流程如圖2所示：

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的減速器速比優(yōu)化方案依然有兩個(gè)缺點(diǎn)，一是工況為標(biāo)準(zhǔn)工況，不能反映每個(gè)用戶(hù)實(shí)際用車(chē)情況，標(biāo)準(zhǔn)工況中考慮不到不同地域坡道因素，也考慮不到每個(gè)駕駛?cè)藛T是否習(xí)慣急加速急減速的駕駛習(xí)慣;二是需要多個(gè)試驗(yàn)測(cè)試，電機(jī)效率MAP未能考慮電池輸出電壓變化的情況，數(shù)據(jù)綜合導(dǎo)入模型中，相對(duì)于完全使用設(shè)計(jì)模型的仿真環(huán)節(jié)減少，但依然有改善的空間。

1.3基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的減速器速比優(yōu)化方案

本文提出選擇基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，采集實(shí)路狀態(tài)下的車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)信息，將駕駛員、實(shí)際道路載荷直接反映為電機(jī)輸入端的轉(zhuǎn)速扭力，并采集電池輸出到電機(jī)輸入端的電壓電流。流程如圖3所示：

圖3中的動(dòng)力載荷譜與電機(jī)效率MAP相對(duì)于前兩個(gè)方案，減少了更多的假設(shè)環(huán)節(jié)，直接實(shí)測(cè)獲得，其優(yōu)點(diǎn)是能反映實(shí)際測(cè)量的工作狀態(tài)，以便可以更好地執(zhí)行速比優(yōu)化工作。但要求車(chē)輛需要配置上精確的轉(zhuǎn)速、扭力、電壓、電流傳感器，同時(shí)允許使用大數(shù)據(jù)技術(shù)將這些信息上傳。

2基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的減速器速比優(yōu)化過(guò)程

應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)的前提是獲取有效可靠的數(shù)據(jù)。為此，需要先制造一輛安裝有高精度轉(zhuǎn)速、扭力、電壓、電流傳感器的樣車(chē)。該樣車(chē)有一個(gè)初選的減速器速比。將該樣車(chē)制造出來(lái)以后，要去常用的路況上行駛，獲得動(dòng)力系統(tǒng)秒采數(shù)據(jù)。

2.1樣車(chē)制造及采集數(shù)據(jù)

對(duì)于使用永磁同步電機(jī)的純電動(dòng)汽車(chē)，轉(zhuǎn)速通常使用旋轉(zhuǎn)變壓器形式測(cè)量轉(zhuǎn)速，單體電壓精度通常在±3mV以?xún)?nèi)，整包電壓精度在±0.3v以?xún)?nèi)，電流精度在±1%以?xún)?nèi)。而扭矩通常使用計(jì)算方法通過(guò)MCU發(fā)出，精度相對(duì)較低。作為數(shù)據(jù)采集的樣車(chē)，可以適當(dāng)提高電流精度。

樣車(chē)中的速比，可以選擇根據(jù)NEDC或WLTC工況優(yōu)化的初始速比。

2.2速比優(yōu)化建模

將汽車(chē)在常用路況上行駛，采集行駛過(guò)程中的MCU輸入電壓U、MCU輸入電流I、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n，電機(jī)輸出扭矩T。這4個(gè)量非常重要，在能流中如圖4所示：

圖中電流為正是表示驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，電流為負(fù)時(shí)表示能量回收狀態(tài)，扭力為正時(shí)表示驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，扭力為負(fù)時(shí)表示能量回收狀態(tài)。

該電機(jī)MAP相對(duì)于試驗(yàn)中的MAP，相當(dāng)于考慮了電壓、溫度等綜合因素。但其缺點(diǎn)是集中在某個(gè)區(qū)域，而電機(jī)效率MAP試驗(yàn)時(shí)，可以測(cè)量電機(jī)的全區(qū)域。因此，基于大數(shù)據(jù)的處理方法也可以使用MAP替代，表達(dá)式與（4）相同。此時(shí)僅需獲取開(kāi)車(chē)時(shí)的轉(zhuǎn)速與扭力信息。

速比優(yōu)化工作最重要的是構(gòu)建不同速比與電驅(qū)動(dòng)綜合效率的關(guān)系，設(shè)i0為樣車(chē)基礎(chǔ)速比，i為優(yōu)化速比變量，則iX與綜合效率ηx關(guān)系如式（5）所示：

通常，減速器速比在5～15之間。速比優(yōu)化模型為max（ηx），求對(duì)應(yīng)的ix。

3優(yōu)化實(shí)例

使用浙江合眾新能源汽車(chē)有限公司的哪吒N01車(chē)型作為樣車(chē)對(duì)象，該車(chē)減速器速比io=7.7，在桐鄉(xiāng)市二環(huán)路實(shí)路開(kāi)車(chē)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。如圖5所示。采集到的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、扭力信息如圖6所示。按照（4）式構(gòu)建MAP點(diǎn)云，如圖7所示。按照（5）式模型優(yōu)化速比。因?yàn)槭菃巫兞績(jī)?yōu)化，范圍也不寬，所以可以選擇繪制不同速比與系統(tǒng)綜合效率的關(guān)系，如圖8所示：

圖8不同速比對(duì)應(yīng)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)綜合效率

由此可知，動(dòng)力系統(tǒng)若選擇速比ix=5.5，則效率將提升1.34%，整車(chē)能耗將降低0.174kWh/100km。

4各方案優(yōu)缺點(diǎn)及互補(bǔ)分析

使用基于大數(shù)據(jù)的速比優(yōu)化方案自身也存在優(yōu)缺點(diǎn)，不能完全替代現(xiàn)有速比優(yōu)化方法。需要對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，從適用階段、精度、成本三個(gè)維度進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)比較，如表1所示：

5結(jié)論

本文提出采用基于大數(shù)據(jù)采集進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)減速器速比優(yōu)化的方法。通過(guò)對(duì)具體用戶(hù)的實(shí)際工況電機(jī)端阻力采集分析，運(yùn)用MATLAB建模，仿真設(shè)計(jì)最優(yōu)速比。并對(duì)當(dāng)前基于模型的速比設(shè)計(jì)、基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的速比設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比較分析，該方法對(duì)實(shí)際工況的降能耗具有積極的意義。為車(chē)輛具體應(yīng)用場(chǎng)景及降能耗提供定制化解決方案。

下一步工作中，將研究基于特定用戶(hù)或用戶(hù)群體的大數(shù)據(jù)收集分析，做動(dòng)力性需求與經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)化的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，并研究雙減速器速比的變速箱在純電動(dòng)汽車(chē)上應(yīng)用的必要性。