电动车动力性与经济性多目标优化研究

赵一凡 冯泽 景疆辉 王梦宇

摘 要：电动车动力传动系统部件选择的多元化使得对其动力性与经济性进行多目标优化成为一项非常复杂的工程，同种部件选择的随机性决定不同的匹配方案。因此除了研究人员通过对动力传动系统部件进行随机组合得到不同方案进而从中寻优的传统优化方法之外，文章针对某型号电动公交车基于ISIGHT联合ADVISOR运用最优化技术理论，建立数学模型并用改进的遗传算法对电动车的动力性和经济性进行多目标优化，经过1500次的迭代运算后，确定电动车1档、2档和主减速传动比分别为1.779、0.989和6.174时，电动公交车的动力性和经济性方面均得到了明显改善。

关键词：动力性；经济性；传动比；多目标优化；ISIGHT

中图分类号：U461.8 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）18-0013-04

Abstract： Due to the diversity of components selection of electric vehicle power transmission system， the multi-objective optimization of its power performance and economy becomes a very complex project. The randomness of the same component selection determines different matching schemes. Therefore， in addition to the traditional optimization method that researchers get different schemes by randomly combining the components of the power transmission system， this paper applies the optimization technology theory to a certain type of electric bus based on ISIGHT and ADVISOR. The mathematical model is established， and an improved genetic algorithm is used to optimize the power performance and economy of electric vehicles. After 1500 iterations， it is determined that the first， second and main deceleration ratios of electric vehicles are 1.779， 0.989 and 6.174 respectively. The power and economy of electric bus have been improved obviously.

Keywords： power performance； economy； transmission ratio； multi-objective optimization； ISIGHT

科技进步，社会发展，人们的生活水平越来越高，出行方式也逐渐的走向机动化，据统计，截止到今年，我国的汽车数量达到3亿多，并且仍然呈现快速增长的趋势。日益增多的私人汽车给我们的生活带来便捷的同时，也存在一定的弊端，交通拥挤甚至瘫痪，极大的影响着出行效率，随之而来的还有空气的严重污染、石油能源的短缺等世界性问题。为了缓解交通压力和环境污染等问题，我国大力发展新能源技术在公交车上的应用，但是目前国内部分纯电动公交车仍存在动力性不足，续驶里程短的问题，因此对于纯电动公交车动力性和经济性的优化研究不容忽视。由于对电动汽车动力性经济性优化是一项非常复杂的工程，目前对其优化的方法往往是以多个速比进行尝试寻优或者选取个别指标进行优化，且优化变量常常为总传动比或变速箱档位传动比忽略了主减速器齿比的优化[1][2]，因此局限性很大，很難找出最优的匹配结果。

本文首先对以确定动力传动系统的电动公交车建立整车动力学模型，按照设计指标的要求进行仿真验证，进而建立整车动力性经济性多目标优化数学模型，基于ISIGHT进行仿真优化，找到最优的匹配方案。

2 性能指标分析

由于纯电动车的动力传动系统与传统汽车不同，驱动电机取代了内燃机，传统汽车的油箱则用动力电池替代，不仅如此，传统汽车上的很多部件之间的连接方式由刚性的连接变为柔性的电缆连接，因此纯电动汽车的动力传动系统在整车上的布置上具有多元化，其结构形式如图1所示。

根据国家相关标准要求，对车辆动力性经济性评价指标分别为最高车速、最大爬坡度、加速时间和百公里油耗等，由于本文对纯电动汽车的动力性经济性进行研究，因此本文以纯电动公交车的最高车速umax、最大爬坡度Imax、加速时间t来评判车辆的动力性，以续驶里程来评判车辆的经济性能。

3 整车动力学模型建立与仿真

3.1 ADVISOR建模

根据某纯电动公交车的前期设计目标参数，对整车动力传动系统参数进行匹配计算，利用Matlab/Advisor建立纯电动车整车动力性经济性仿真模型[4][5]，对其动力性经济性进行仿真分析。表1为整车技术参数，图2为整车仿真模型。

3.2 模型验证

由于公交车在正常运行情况下很难维持一个较为稳定的车速范围，避让行人车辆、等待交通信号灯、站点多，以及等待乘客上下车等因素常常使车辆处在不断启停的状态[3]，因此行驶工况较为复杂，本文以图3为公交车的循环仿真工况。

根据电机和电池的工作过程状态仿真曲线可以看出当公交车加速行驶时，驱动电机的扭矩正向增大，同时电池电流正向增大；当公交车减速制动时，驱动电机转矩负向增加，此时电流也为负值，电池进入充电状态。整个仿真过程曲线变化合理流畅，验证了模型的可行性与合理性，为进一步输出动力性经济性仿真结果奠定基础。

3.3 仿真结果

本文針对公交车空载状态下的动力性与经济性能进行仿真计算，其中包括公交车的最高车速、最大爬坡度、0-30km/h加速时间、20-50km/h加速时间、0-50km/h加速时间和续驶里程。图7为动力性经济性各项指标的仿真计算结果。表2为仿真结果与设计目标的对比。

由此可见，电动公交车的整车动力性与经济性满足设计目标要求，进一步印证了所建模型的可行性[6]。

4 动力性经济性优化

本文对电动公交车动力性经济性的优化属于多目标优化问题，其数学模型为：

min fm（x）， m=1，2，3，…，M

Subject to gj（x）≤0， j=1，2，3，…，J

hk（x）=0， k=1，2，3，…，K

Xi（L）≤Xi≤Xi（U）， i=1，2，3，…，n

式中fm（x）为目标函数；gj（x）、hk（x）为约束条件；Xi为设计变量，Xi（L）与Xi（U）分别为设计变量的上下限。

4.1 建立优化数学模型

根据多目标优化理论建立电动公交车动力性经济性多目标优化的数学模型。

min F（x）=[Fec（x），Ft（x），1/Fi（x）]

Subjet to g1（x）=imax-i1≤0

g2（x）=Vmax-V≤0

g3（x）=t-t1≤0

g4（x）=-Zφφ≤0

g5（x）=Q-Qe≤0

g6（x）=nm_t_max/x2-nmotor_max/x1≤0

模型中F（x）为动力性经济性优化目标，其中Fec（x）是公交车工况下的能耗，Ft（x）是加速时间，Fi（x）是最大爬坡度；g1（x）、g2（x）、g3（x）、g4（x）、g5（x）、g6（x）分别为最大爬坡度约束、最高车速约束、0-50km/h加速时间约束、驱动轮附着条件约束、能耗约束和动力传动过程约束。

由于本文针对某型号的电动公交车具有两个档位，因此设计变量包括主减速器、1档和2档的传动比：

X=[x1，x2，…，xn-1，xn]T=[i0，i2，…，in-1，in]T；（n=3）

即：X=[x1，x1，x1]T=[i0，i1，i2]T

4.2 ISIGHT-ADVISOR联合仿真优化

基于ISIGHT优化平台联合ADVISOR仿真模型进行多目标优化计算，图8为ISIGHT集成ADVISOR的多目标优化模型。

由此可见优化后的电动公交车动力性经济性各项指标除了最高车速比优化前略微下降外，其他各项指标均得到提升，且优化后的各项指标全部满足整车动力性经济性设计要求。因此电动公交车整车的动力性经济性可以得到明显的改善。

5 结束语

本文针对某型号电动公交车动力性经济性优化问题进行深入研究，摒弃了以往研究人员为满足整车动力性经济性设计要求通过对动力传动系统部件的随机组合找到相对比较优异的匹配方案的传统动力性经济性优化方法，这种方法局限性较大，并且优化结果往往是在牺牲动力性或经济性的前提下来提升另一项性能。本文通过ISIGHT-ADVISOR联合仿真优化不仅避免了传统优化方法的局限性，而且通过优化前后电动公交车整车动力性经济性各项性能指标的对比可以看出，整车各项性能指标在满足设计要求的前提下均得到明显的改善。

参考文献：

[1]周云山，杨克锋.两挡纯电动汽车传动系换挡规律及速比优化研究[J].机械传动，2015，39（12）：12-16+23.

[2]李夏楠.纯电动汽车动力系统参数优化方法仿真研究[D].武汉理工大学，2013.

[3]李东军，王丽红，李继光.中国典型城市车辆行驶状况的测试统计[J].汽车技术，1998，19（3）：13-16.

[4]曾小华，宫维钧.电动汽车仿真与再开发应用[M].机械工程出版社，2014.

[5]ADVISOR Documentation[M].National Renewable Energy Laboratory，2002.

[6]Meisam Amiri，Mohsen Esfahanian，Mohammad Reza Hairi-Yazdi，Vahid Esfahanian，Minimization of power losses in hybrid electric vehicles in view of the prolonging of battery life[J].Journal of Power Sources，2009，Vol.190（2）：372-379.