基于DCT的并联混动汽车动力系统多参数优化研究.pdf
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1、Modeling and Simulation 建模与仿真建模与仿真,2023,12(4),3943-3958 Published Online July 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mos https:/doi.org/10.12677/mos.2023.124360 文章引用文章引用:李子辰,谢金法,张上举,朱鹏超.基于 DCT 的并联混动汽车动力系统多参数优化研究J.建模与仿真,2023,12(4):3943-3958.DOI:10.12677/mos.2023.124360 基于基于DCT的并联混动汽车动力系统多参数优化的并联
2、混动汽车动力系统多参数优化研究研究 李子辰李子辰*,谢金法,谢金法#,张上举,朱鹏超,张上举,朱鹏超 河南科技大学车辆与交通工程学院,河南 洛阳 收稿日期:2023年6月1日;录用日期:2023年7月17日;发布日期:2023年7月24日 摘摘 要要 插电式混合动力汽车动力系统参数匹配会极大的影响车辆动力性与经济性,本文对一款搭载双离合自动插电式混合动力汽车动力系统参数匹配会极大的影响车辆动力性与经济性,本文对一款搭载双离合自动变速器的并联式插电混合动力汽车进行了参数匹配,搭建了整车模型,并对整车的动力性及经济性进行变速器的并联式插电混合动力汽车进行了参数匹配,搭建了整车模型,并对整车的动力性
3、及经济性进行了验证。针对混合动力汽车传动系统参数对经济性和排放性的影响,首先将双离合自动变速器传动比作了验证。针对混合动力汽车传动系统参数对经济性和排放性的影响,首先将双离合自动变速器传动比作为优化对象,设置相应的动力性约束,采用遗传算法通过为优化对象,设置相应的动力性约束,采用遗传算法通过Isight、Cruise和和Matlab三软件联合优化,降三软件联合优化,降低了油耗和排放,进一步的,对换挡规律也进行优化,最终将燃油消耗量降低低了油耗和排放,进一步的,对换挡规律也进行优化,最终将燃油消耗量降低6.54%,优化效果明显。,优化效果明显。关键词关键词 插电式混合动力汽车插电式混合动力汽车,
4、双离合自动变速箱双离合自动变速箱,组合算法优化组合算法优化,多目标优化多目标优化 Research on Multi-Parameter Optimization of Parallel Hybrid Electric Vehicle Power System Based on DCT Zichen Li*,Jinfa Xie#,Shangju Zhang,Pengchao Zhu College of Vehicle and Traffic Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang Henan Receive
5、d:Jun.1st,2023;accepted:Jul.17th,2023;published:Jul.24th,2023 Abstract The power system parameter matching of plug-in hybrid electric vehicle will greatly affect the ve-hicle dynamics and economy.In this paper,the parameters matching of a parallel plug-in hybrid *第一作者。#通讯作者。李子辰 等 DOI:10.12677/mos.20
6、23.124360 3944 建模与仿真 electric vehicle equipped with dual-clutch automatic transmission was carried out,the whole ve-hicle model was built,and the vehicle dynamics and economy were verified.Aiming at the influ-ence of transmission system parameters of hybrid electric vehicles on economy and emissions
7、,firstly,DCT transmission ratio is taken as the optimization object,and corresponding dynamic constraints are set.The genetic algorithm is used to jointly optimize Isight,Cruise and Matlab to reduce fuel consumption and emissions.Furthermore,the shifting rule is also optimized.Finally,fuel consumpti
8、on is reduced by 6.54%,and the optimization effect is obvious.Keywords Plug-in Hybrid Electric Vehicle(PHEV),Dual Clutch Automatic Transmission,Combinatorial Algorithm Optimization,Multi-Objective Optimization Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creativ
9、e Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 插电式混合动力汽车通过多种动力源的组合,可以在不降低车辆动力性能的前提下降低油耗和减少排放。多能源动力系统的高效运行首先依赖于混合动力系统的合理匹配,而对匹配参数进一步优化也是提高整车性能的关键。参数优化时,采用不同优化算法的优化效果和时间也有所不同。Li,Liang 等针对插电式混合动力客车动力系统和控制参数同时优化的经济性和动力性平衡问题,提出了一种新的混合遗传算法提出了一种将增强遗传
10、算法(EGA)与模拟退火算法(SA)相结合的混合遗传算法(HGA)。定义解的相对误差距离来表示标准遗传算法(SGA)、EGA 和 HGA 的性能。在两个行驶循环中进行优化仿真结果表明,该算法具有较好的收敛速度和全局搜索能力1。Chen Yong 等针对并联式混合动力汽车动力系统的发展,提出了参数匹配与优化方法2。根据插电式混合动力汽车的性能,确定了发动机、电机、传动系传动比和电池参数的优化范围,提出了基于分析目标级联(ATC)的两级优化问题。在系统层面,对整车燃油经济性进行优化,此时动力性为约束条件。优化后的参数级联到子系统作为优化目标,在子系统层面,最终的驱动和传动设计进行了优化,结果表明:
11、燃油经济性有所提高,动力性能保持在原有水平。V.T.Long 等采用蜜蜂算法(BA)对并联式混合动力汽车的关键部件尺寸和控制策略进行了优化。在满足约束条件下,根据 BA 调整关键部件尺寸和控制策略参数,使燃油消耗和排放的加权总和最小。结果表明,BA 优化后可在不牺牲车辆性能的情况下降低油耗和排放。此外,BA 能够定义具有高收敛速度的全局解3。周云山等找出 5 个对经济性和排放性影响最大的参数,建立多目标优化模型,优化得到 Pareto 最优解集,结果表明,优化后百公里油耗降低 25.3%,CO 与 HC 排放分别降低 35.5%,13.7%4。高建平等针对优化速度较慢问题,建立了响应面近似模型
12、作为优化时的替代模型,使用多岛遗传算法(MIGA)和序列二次规划算法(NLPQL)组合算法进行优化。结果表明:在维持动力性指标前提下,百公里油耗降低了7.20%,优化速度相比之前提高 30 倍5。屈俊凯等针对一种新型的行星混联式动力系统中的各组成部件进行了参数匹配与优化,优化结果表明,在车辆动力性变化不大的情况下,经济性提高了 19.3%6。余佳衡等针对 BA 与 GA 等算法优化周期长、寻优能力弱等缺陷,将包含精英策略的遗传算法和模拟退火算法相结合对动力系统部件参数进行优化,使节油率高达 16.6%,且发动机工作点更多分布在高效区7。潘龙帅等针对标准循环工况下制定的能量管理策略不能达到经济性
13、较优的问题,采集了真实工况块并构Open AccessOpen Access李子辰 等 DOI:10.12677/mos.2023.124360 3945 建模与仿真 建了代表性的工况,结合工况对控制策略关键参数进行组合算法寻优,并在半实物仿真平台验证了此方法可以降低 8.3%的油耗8。以上优化大多针对控制策略参数或者传动系统参数进行单独优化,本文将在传动比优化的基础上,对 DCT 换挡规律进一步进行优化,来提升优化效果,并验证各参数之间优化效果的关联性。2.PHEV 模型与分析模型与分析 根据所研究混合动力汽车特点,确定动力系统结构,并确定整车动力性能指标,以某 PHEV 为研究对象,采用双
14、离合自动变速箱 P2 构型混合动力系统,结构如图 1 所示,工作模式共分为 6 种,分别为:纯电驱动模式、发动机启动模式、行车充电模式、发动机单独驱动模式、联合驱动模式及能量回收模式。Figure 1.Power system structure of the vehicle 图图 1.整车动力系统结构 3.DCT 混动系统匹配与搭建混动系统匹配与搭建 整车动力性能指标如表 1 所示。Table 1.Vehicle dynamic performance index 表表 1.整车动力性能指标 名称 项目 参数 单位 整车部分 整车整备质量 1310 kg 整车最大总质量 1620 kg 风阻
15、系数CD 0.3-迎风面积A 2.15 m2 滚动半径r 0.308 m 滚动阻力系数 0.02-传动系统效率 0.9-最高车速 最高车速(纯电动)120 km/h 最高车速(纯发动机)150 km/h 最高车速(混合驱动)180 km/h 加速能力 0100 km/h加速时间(混合驱动)13 s 0100 km/h加速时间(纯发动机)15 s 050 km/h加速时间(纯电动)5 s 李子辰 等 DOI:10.12677/mos.2023.124360 3946 建模与仿真 Continued 爬坡能力 最大爬坡度(混合驱动)40-最大爬坡度(纯发动机)30-最大爬坡度(纯电动)30-爬坡车
16、速 25 km/h 续航能力 纯电动续航里程 80 km 根据表 1 的动力性能指标进行整车及各系统的参数匹配,与传统燃油车相同,一般根据动力性指标对整车的需求功率进行计算,即最高车速、百公里加速时间及最大爬坡度。3.1.整车及动力源功率匹配整车及动力源功率匹配 与传统燃油车相同,一般根据动力性指标对整车的需求功率进行计算,即最高车速、百公里加速时间及最大爬坡度。1)最高车速 在最高车速下功率平衡方程为:3max1maxmax1360076140DTC AmgfPvv=+(1)式中,T为传动效率;DC为风阻系数;maxv为混动模式下最高车速;f 为滚动阻力系数;A 为迎风面积。2)百公里加速时
17、间 在已知加速时间和加速结束时刻车速情况下,实际车速可视为当前时间的函数:xtmmtvvt=(2)式中,tv为 t 时刻下实际车速;mv为加速结束时刻车速;t 为加速时间;x 为拟合系数。由汽车理论的知识可知,在加速阶段末时刻,整车需求功率最大,最大需求功率可以表示为:2max2d3600d21.15mtDmtvvC APmgfmvt=+(3)式中,dt为设计过程迭代步长;为整车旋转质量换算系数。3)最大爬坡度 以最大爬坡度为标准,此时汽车功率平衡方程可以表示为:()()2max3maxmaxcossin360021.15pDptvC APmgfmgv=+(4)式中,pv为最大爬坡度下车速;m
18、ax为当前坡度对应角度。考虑到汽车附件功率,汽车总功率可以计算得:()maxmax1max2max3,maxaccPPPPP=+(5)发动机与电机参数同样通过以上三个动力性指标进行匹配。3.2.动力电池参数匹配动力电池参数匹配 动力电池的主要参数包括单体电池的电压、额定功率、额定电压及容量。通过纯电动模式下最高车李子辰 等 DOI:10.12677/mos.2023.124360 3947 建模与仿真 速指标确定电池组的最大功率要求:maxareqbePP=(6)式中:e为电机和动力电池传递总效率;maxbP为电池组最大功率;areqP为纯电动模式下整车需求功率。电池容量通过纯电动模式下等速续
19、航里程来确定,所消耗能量由公式(7)和(8)计算。221.153600DjmreqjtC AmgfvPv+=(7)()mreqessejhlPSWvSOCSOC=(8)以上各式中:mreqP代表纯电动模式下所需求的功率;jv代表等速行驶的车速;essW为电池组所含能量;t指传动系的总的传动效率;e指电池和电机传递效率;S为续航里程;SOCh代表电池的荷电状态上限值,SOCl代表电池的荷电状态下限值。3.3.传动系参数匹配传动系参数匹配 1)最小传动比 最小传动比由传动系最高转速和最高车速确定:maxminmax0.377nriv=(9)式中,maxn为传动系最高转速,maxv为最大设计车速,r
20、为车轮滚动半径。2)最大传动比 最大传动比由最大爬坡度和最大扭矩决定,此时传动比需要满足:()maxmaxcossintmg friT+(10)式中,m为整车质量;为最大爬坡度;t为传动系统效率;maxT为电机最高扭矩。3)变速器速比约束 为了保证动力性和经济性,传动系各挡传动比采用带有约束的等比级数方法分配,其表述如下:12345234561.81.2ggggggggggiiiiiiiiii (11)式中,ig1ig6为DCT变速箱 1 挡到 6 挡的传动比,本文选取主减速器速比i0=4。根据表 1 中整车参数,通过上述式(1)式(11)匹配计算并联式混合动力汽车车动力系统主要参数,如表 2
21、 和表 3 所示。根据参数匹配结果,在Cruise软件在各模块输入参数,并进行总线连接,完成整车模型的搭建,如图2 所示。4.参数优化分析参数优化分析 DCT 混动汽车的传动系统参数以及换挡策略对于其动力经济两方面性能都有着很大的影响,虽然进行了参数匹配,但对于实际路况,还是可以对传动系统进行参数优化和换挡策略调整。本章采用多种优李子辰 等 DOI:10.12677/mos.2023.124360 3948 建模与仿真 化算法进行优化并分析对比优化结果,以此来验证优化的准确性和可靠性。Table 2.Dynamic system parameter 表表 2.动力系统参数 部件 参数项 数值
22、发动机 发动机类型 发动机排量(L)发动机最大功率(kW)发动机最大扭矩(Nm)发动机最大转速(rpm)直列四缸 1.8 60 200 5000 电机 电机类型 电机峰值功率(kW)电机最大转速(rpm)电机峰值扭矩(Nm)永磁同步电机 56 7500 173 动力电池 电池类型 电池额定电压(V)电池额定容量(Ah)电池运行温度()三元锂电池 300 30 25 Table 3.Gear ratio 表表 3.各档传动比 挡位 i0 i2 i3 i4 i5 i6 i6 传动比 4.000 4.126 2.489 1.646 1.250 0.942 0.721 Figure 2.Vehicle
23、 model 图图 2.整车模型 4.1.联合仿真验证联合仿真验证 Avl Cruise 软件可以用于车辆的动力性,燃油经济性以及排放性能的仿真,它可以计算并优化车辆的燃油经济性,排放性,动力性、加速能力、爬坡性能等。李子辰 等 DOI:10.12677/mos.2023.124360 3949 建模与仿真 4.1.1.经济性仿真经济性仿真 WLTC 循环是世界统一轻型汽车测试程序的一部分,发布于 2016 年,参考了全球多地的典型道路环境,具备瞬态特征,更加符合道路实际行驶状态。目前所有欧盟国家的新车都采用了 WLTP 测试标准,而且 WLTC 针对 NEDC 工况暴露的问题进行了优化,测试
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