阅读说明：本技术 一种纯电动汽车两档amt综合换挡方法 (two-gear AMT comprehensive gear shifting method for pure electric vehicle ) 是由 王再宙 张春香 宋强 于 2019-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种纯电动汽车两档AMT综合换挡方法,属于新能源汽车动力系统技术领域。本发明首先根据纯电动汽车的整车性能需求,提出最佳动力性换挡规律和最佳经济性换挡规律；在两个最佳换挡规律的基础上,以换挡点车速及换挡延迟量为优化变量,以整车能耗和换挡点加速度差值为目标函数,建立兼顾经济性和动力性的综合性能换挡规律优化模型；最后利用NSGA-II遗传算法对上述优化模型进行求解,得到综合性能换挡规律。(the invention discloses a two-gear AMT comprehensive gear shifting method for a pure electric vehicle, and belongs to the technical field of new energy vehicle power systems. According to the invention, firstly, an optimal dynamic gear shifting rule and an optimal economic gear shifting rule are provided according to the whole vehicle performance requirement of the pure electric vehicle; on the basis of the two optimal gear shifting rules, the speed and the gear shifting delay amount of a gear shifting point are used as optimization variables, and the difference value of the energy consumption of the whole vehicle and the acceleration of the gear shifting point is used as a target function, so that a comprehensive performance gear shifting rule optimization model considering both economy and dynamic performance is established; and finally, solving the optimization model by using an NSGA-II genetic algorithm to obtain the comprehensive performance gear shifting rule.)

一种纯电动汽车两档AMT综合换挡方法

技术领域

本发明新能源汽车动力系统技术领域，尤其为一种纯电动汽车两档AMT综合换挡方法。

背景技术

换挡规律是AMT控制理论的核心技术，决定动力传动系统性能的发挥程度，影响纯电动汽车的加速性能和续驶里程，因此开发适用于纯电动汽车的AMT换挡规律是提高电动汽车动力性和经济性的关键技术之一。经过多年发展，换挡规律从最初的单参数换挡规律，到应用广泛的双参数换挡规律，再到基本符合车辆动态过程的三参数换挡规律，以及在各种基本换挡规律基础上综合各种智能控制算法和控制理论的综合换挡控制策略。为了最大提升纯电动汽车的续驶里程，综合控制换挡规律将成为后续发展趋势。

在传统换挡规律方面，重庆大学周保华等人，基于加速踏板开度和车速两个参数，以加速度曲线的交点为动力性目标、以电机效率为经济性目标，制定了纯电动汽车的换挡曲线，并通过建模仿真和硬件实验对比说明了两挡AMT方案要明显优于固定挡减速器方案；同时，秦大同、陈叔江等人以此为基础，提出了兼顾动力性与经济性的纯电动汽车两挡AMT换挡曲线，它以整车负荷为分界点，在中低负荷时采用经济性换挡曲线，在中高负荷以上则采用动力性换挡曲线；唐永琪以纯电动汽车行驶车速、加速度及油门踏板位置为控制参数，开发了适用于电动汽车的动力性换挡规律和经济性换挡规律。

综合换挡规律是基于基本换挡规律的多控制变量输入、多行驶工况修正的最佳换挡规律。通过各个控制参数的输入识别车辆行驶状态，并将其分为急加速、正常加速、维持车速、正常制动、紧急制动、SOC状态等工况，然后根据不同工况的特点，利用模糊控制和神经网络技术等智能算法对基本换挡规律进行修正，从而输出最佳挡位。

在综合换挡规律方面，张煜针对纯电动车的换挡规律进行研究，分别分析并设计出纯电动车辆的最佳动力性和最佳经济性换挡规律，并研究了负载识别技术，分析了负载变化对换挡规律的影响，在此基础上，提出基于工况识别的纯电动汽车AMT综合换挡规律；湖南大学江清华等人考虑到电池组的最大持续放电功率已不能满足文中设计驱动电机的恒功率输出要求，将电池组SOC的这一数值，以及加速踏板开度、车速和加速度这四个参数建立了纯电动汽车的最佳动力性和最佳经济性换挡规律，仿真实验表明所指定的换挡规律优于传统单参数或双参数换挡规律；刘拂晓等人在基本换挡规律基础上，通过分析驾驶员意图，采用模糊控制理论，建立了驾驶员模型和换挡逻辑判断模型，仿真结果表明动力性满足电动汽车的要求，对驾驶员意图分析时，只考了油门踏板，未对制动状态进行考虑。

发明内容

本发明以纯电动两挡AMT为研究对象，以整车能耗和换挡点加速度差值作为目标函数，选定换挡点车速及换挡延迟量为优化变量，建立兼顾经济性和动力性的综合换挡规律优化模型，以实现电动汽车经济性和动力性的双重提升。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种纯电动汽车两档AMT综合换挡方法，包括如下步骤：

步骤1：根据纯电动汽车的整车性能需求，提出最佳动力性换挡规律和最佳经济性换挡规律；

步骤2:在最佳动力性换挡规律和最佳经济性换挡规律的基础上，以整车能耗和换挡点加速度差值为目标函数，选定换挡点车速及换挡延迟量为优化变量，建立兼顾动力性和经济性的综合换挡规律优化模型；

步骤3：利用NSGA-II遗传算法对上述优化模型进行求解；

步骤4：根据步骤3的结果，得到纯电动汽车两档AMT综合性能换挡规律。

步骤1中所述最佳动力性换挡规律为：

用最大加速度法制定最佳动力性换挡规律；首先，将百公里加速时间定义为加速时间，其公式如式(1)所示：

其中：t为百公里加速时间，u₁为换挡点处车速，a₁为一挡时加速度，a₂为二挡时加速度；忽略换挡前后车速变化、坡道阻力等因素，换挡过程中纯电动汽车的行驶动力学方程为：

F_t＝F_f+F_w+F_j (2)

其中：F_t为车辆驱动力，F_f为道路阻力，F_w为空气阻力，F_j为加速阻力；经过汽车理论推导，可得式(3)：

其中：T_tq为驱动电机输出转矩；i_g为变速器某挡传动比；i₀为主减速器传动比；η_t为机械传动效率；r车轮滚动半径；m为汽车质量；g为重力加速度；f为道路阻力系数；C_D为风阻系数；A为纯电动汽车迎风面积；u是汽车的瞬时速度；δ为汽车旋转质量换算系数，该系数为：

其中，I_W为车轮转动惯量，I_f为飞轮转动惯量；

由式(3)可以得到纯电动汽车的加速度方程式(5)：

驱动电机的输出转矩T_tp可以表示为油门开度α与驱动电机转速n的二次差值函数T，如式(6)所示：

T_tq＝T(α,n) (6)

驱动电机转速和车速有如下关系：

联合式(5)、(6)、(7)可得式(8)：

为了保证换挡时动力中断时间短，须加速时间最小，则纯电动汽车需要在一挡和二挡加速度相等或二挡加速度大于一挡加速度时进行换挡，由式(8)可得换挡方程式(9)：

将相关参数带入，到相应的最佳动力性升档规律曲线。为了避免循环换挡，降档速差取2-8km/h。根据最佳动力性升档规律得到最佳动力性降档规律曲线，从而得到最佳动力性换挡规律。

步骤1中所述最佳经济性换挡规律为：

设换挡前电机转速、转矩分别为n₁和T₁，换挡结束后电机转速、转矩分别为n₂和T₂，则换挡前后电机效率如式(10)和式(11)所示：

η_m1＝η(T₁,n₁) (10)

η_m2＝η(T₂,n₂) (11)

式中：η_m1为换挡前电机效率；η_m2为换挡后电机效率。

由于换挡时间较短，可以认为换挡前车速和电机的输出转矩保持不变，即：

u₁＝u₂，T₁＝T₂ (12)

驱动电机转速和车速有如下关系：

将式(13)代入式(12)，得到换挡前后电机转速关系为：

n₁:n₂＝i_g1:i_g2 (14)

式中：i_g1为换挡前变速器的传动比；i_g2为换挡后变速器的传动比。

将式(14)带入式(11)，可得到换挡后电机效率为：

最佳经济性换挡规律应保证电机一直工作在高效区域，联立式(6)、(10)、(11)、(13)得到驱动电机效率与车速、变速器传动比、油门开度的关系式(16)。

为了保证换挡后驱动电机工作在高效区域，须满足换挡后电机的工作效率大于或等于换挡前工作效率，由式(16)可得式(17)：

将纯电动汽车相关参数带入，将不同油门开度下，一挡和二挡的电机效率的相同值，作为最佳经济性规律升挡点，得到最佳经济性升挡规律曲线；通过合理确定降档速差，在最佳经济性升档规律曲线基础上得到最佳经济性性降档规律曲线，最终得到最佳经济性换挡规律。

步骤2中建立兼顾动力性和经济性的综合换挡规律优化模型的方法为：

1)优化变量：换挡点车速及换挡延迟量为优化变量

X＝[v₁,v₂,v₃,v₄,v₅,v₆,v₇,v₈,v₉,v₁₀,Δv] (18)

式中：v₁,v₂,v₃,v₄,v₅,v₆,v₇,v₈,v₉,v₁₀分别为0％，20％，……，100％油门开度下的换挡点车速；Δv为等延迟换挡规律的延迟量；

2)目标函数：整车能耗和加速度差值为目标函数

将NEDC循环工况下纯电动汽车整车的能量消耗作为经济性目标函数，如式(19)所示：

式中：T_b为驱动电机在发电工况下的转矩；η_m为驱动电机效率；η_e为电池效率。

将换挡时一挡、二挡情况下加速度差值作为动力性目标函数，具体表达式如式(20)所示：

式中：a₁为换挡时一挡加速度值；a₂为换挡时二挡加速度值。其中，a₁如式(21)所示，a₂如式(22)所示。

3)约束条件

将最佳动力性升/降档曲线和最佳经济性升/降挡曲线分别作为不同油门开度下综合性能换挡规律升/降挡换挡点车速上限和下限。

采用上述技术方案取得的技术进步为：在NEDC循环工况下，利用该方法优化后，综合性能换挡规律下的整车能耗降低了，即经济性指标得到了提高；加速度差值有了明显变化，动力性能可提升46.15％。由此可知，在综合性能换挡规律下，整车能耗基本不变，加速度差值有很大的变化，即通过该方法对换挡规律优化，使得经济性基本不变，动力性有很大提升，其效果较好。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为不同换挡车速下百公里加速时间与车速的关系图；

图3为驱动电机负载特性曲线；

图4最佳动力性换挡规律曲线；

图5100％油门开度下各挡效率曲线；

图6最佳经济性换挡规律曲线；

图7NSGA-II算法流程图；

图8集成优化模型计算过程图；

图9整车能耗变化图；

图10加速度差值和图；

图11综合性能换挡规律曲线图。

具体实施方式

如图1所示，一种纯电动汽车两档AMT综合换挡方法，包括如下步骤：

步骤1：根据纯电动汽车的整车性能需求，提出最佳动力性换挡规律和最佳经济性换挡规律；

(1)最佳动力性换挡规律的确定过程如下：

加速时间作为纯电动汽车动力性评价指标之一，其大小与换挡点选取有关。本文将加速时间定义为百公里加速时间：纯电动汽车以一挡起步，并按照某一确定的换挡点进行换挡，车速达到100km/h时所需时间，如式(1)所示：

其中：t为百公里加速时间，u₁为换挡点处车速，a₁为一挡时加速度，a₂为二挡时加速度。不同的换挡点将导致百公里加速时间不同。为了进一步说明换挡点对纯电动汽车动力性能的影响，表1设定了最大加速踏板开度下2种不同的换挡车速，图2为其相应的百公里加速时间。

表1 100％加速踏板开度下两组换挡车速

从图2可以看出，换挡车速为u_a时的百公里加速时间为21.9s，换挡车速为u_b时的百公里加速时间为20.7s，比前者快5.48％，这足以说明在制定动力性换挡规律时必须考虑合适的换挡点。

最佳动力性换挡规律是为了将驱动电机的驱动能力或后备功率发挥到最大，使电机处于高负荷状态，以此满足整车的动力性需求。目前有两种方法用于确定最佳动力性换挡规律：一种方法是采用加速度最大的原则，即换挡后的加速度值要大于或者等于换挡前所处挡位的加速度值；另一种方法是保证换挡后车辆获得的驱动力要大于或等于换挡前所处挡位的驱动力。由于各挡位下传动系统的转动惯量有所不同，驱动力较大时候可能整车加速度较小。故本文采用最大加速度法来制定最佳动力性换挡规律。为了便于分析，对换挡过程车辆的运行状态做出如下假设：

换挡过程动力中断时间较短，忽略换挡前后车速的变化；

车辆在平直道路上行驶，忽略坡道阻力及道路阻力的变化；

忽略变速箱搅油阻力影响，只考虑机械传动效率；

忽略换挡瞬间驱动电机及动力电池效率变化的影响。

那么换挡过程中纯电动汽车的行驶动力学方程为式(2)：

F_t＝F_f+F_w+F_j (2)

其中：F_t为车辆驱动力，F_f为道路阻力，F_w为空气阻力，F_j为加速阻力。经过汽车理论推导，可得式(3)：

其中：T_tq为驱动电机的输出转矩；i_g为变速器某挡传动比；i₀为主减速器传动比；η_t为机械传动效率；r车轮滚动半径；f为道路阻力系数；C_D为风阻系数；A为纯电动汽车迎风面积；δ为汽车旋转质量换算系数，该系数为：

其中，I_W为车轮转动惯量，I_f为飞轮转动惯量；

由式(3)可以得到纯电动汽车的加速度方程，如式(5)所示：

图3为驱动电机负载特性曲线，从图3可知，驱动电机的输出转矩可以表示为油门开度α与驱动电机转速n的二次差值函数，如式(6)所示：

T_tq＝T(α,n) (6)

驱动电机转速和车速有如下关系：

联合式(5)、(6)、(7)可得式(8)：

为了保证换挡时动力中断时间短，须加速时间最小，则纯电动汽车需要在一挡和二挡加速度相等或二挡加速度大于一挡加速度时进行换挡，由式(8)可得换挡方程如式(9)所示：

利用MATLAB，赋值油门开度α＝0：0.1：1(范围为0到1，变化步长为0.1)，再将相关纯电动汽车参数带入，到相应的最佳动力性升档规律曲线。为了避免循环换挡，降档速差一般取2-8km/h。通过合理确定降档速差(本文所取降档速差为6km/h)，在最佳动力性升档规律曲线基础上很容易得到最佳动力性降档规律曲线，从而得到最佳动力性换挡规律，如图4所示。

(2)最佳经济性换挡规律的过程为：

为了分析换挡点对纯电动汽车经济性能的影响，设换挡前电机转速、转矩分别为为n₁和T₁，换挡结束后电机转速、转矩分别为n₂和T₂，则换挡前后电机效率如式(10)和式(11)所示：

η_m1＝η(T₁,n₁) (10)

η_m2＝η(T₂,n₂) (11)

式中：η_m1为换挡前电机效率；η_m2为换挡后电机效率。

由于换挡时间较短，可以认为换挡前车速和电机的输出转矩保持不变，即：

u₁＝u₂，T₁＝T₂ (12)

驱动电机转速和车速有如下关系：

将式(13)代入式(12)，整理后得到换挡前后电机转速关系为：

n₁:n₂＝i_g1:i_g2 (14)

式中：i_g1为换挡前变速器的传动比；i_g2为换挡后变速器的传动比。

将式(14)代入式(11)，可得到换挡后电机效率为：

从式(15)可以看出，换挡后传动比的改变将导致电机效率发生变化，因此在制定最佳经济性换挡规律时必须考虑这一点。

为了提高纯电动汽车的经济性，改善能源利用率，制定经济性换挡规律就是保证电机一直工作在高效区域。联立式(6)、(10)、(11)、(13)得到驱动电机效率η与车速a、变速器传动比i_g、油门开度α的方程式(16)：

为了保证换挡后驱动电机工作在高效区域，须满足换挡后电机的工作效率大于或等于换挡前工作效率，因此由式(16)可变换为方程式(17)：

利用MATLAB，赋值油门开度α＝0.1:0.1:1(范围为0.1到1，变化步长为0.1)，再将相关纯电动汽车参数带入，求出一挡和二挡在不同油门开度下的电机效率值，并求出其交点，即为最佳经济性规律升挡点。例如当α＝1时，一挡和二挡的电机效率曲线如图5所示。通过这种方法求出的各个油门开度下换挡时的车速如表2所示。

表2最佳经济性换挡规律换挡点车速

通过插值计算绘制上述所求出的换挡点，即可得到最佳经济性升挡规律曲线，通过合理确定降档速差，在最佳经济性升档规律曲线基础上很容易得到最佳经济性性降档规律曲线，最终得到最佳经济性换挡规律，如图6所示。

步骤2:在最佳动力性换挡规律和最佳经济性换挡规律的基础上，以整车能耗和换挡点加速度差值为目标函数，选定换挡点车速及换挡延迟量为优化变量，建立兼顾动力性和经济性的综合换挡规律优化模型；

具体做法为：

1)优化变量：在驱动电机及其他整车参数给定的情况下，最终影响纯电动汽车动力性和经济性的参数是不同油门开度下换挡点车速以及等延迟换挡规律的换挡延迟量。因此本文的优化变量为：

X＝[v₁,v₂,v₃,v₄,v₅,v₆,v₇,v₈,v₉,v₁₀,Δv] (18)

式中：v₁,v₂,v₃,v₄,v₅,v₆,v₇,v₈,v₉,v₁₀分别为10％，20％，……，100％油门开度下的换挡点车速；Δv为等延迟换挡规律的换挡延迟量。

2)目标函数：本发明以整车能耗和换挡点加速度差值为目标函数。

采用NEDC循环工况下纯电动汽车整车的能量消耗作为经济性目标函数，其表达式如式(19)所示。整车能耗由两部分组成，一是驱动电机在电动工况状态所消耗的能量；另一部分是驱动电机在发电工况下回收的能量，两者相减即为整车能耗。

式中：T_b为驱动电机在发电工况下的转矩；η_m为驱动电机效率；η_e为电池效率。

优化过程中，整车能耗越小越好。

由于换挡规律制定原理不一致，经济性和动力性下换挡点的车速往往不一致。为了能在满足经济性的情况下保证动力性衰减最小，本文特提出一种用于评价综合换挡规律下满足动力性要求的目标函数。在NEDC行驶工况下，换挡点不止一个，因此将换挡时一挡、二挡情况下加速度差值作为动力性目标函数，其数值越小越好。具体表达式如式(20)所示。

其中：a₁为换挡时一挡加速度值；a₂为换挡时二挡加速度值。其中，a₁如式(21)所示，a₂如式(22)所示：

3)约束条件：

一般情况下，同一油门开度下，升挡或降挡时动力性换挡点车速低于经济性换挡点车速。显然，在换挡点一定邻域内，动力性和经济性相差较小。因此为了减小优化运算量、快速获取最优解、提高优化效率，故综合性能换挡规律升挡曲线将采用最佳动力性升档曲线和最佳经济性升挡曲线分别作为不同油门开度下综合换挡规律升挡换挡点车速上限和下限(最佳动力性升档曲线为上限，最佳经济性升档曲线为下限)，如表3所示，其中换挡延迟量Δv＝[4,8]。

表3各个优化变量的约束条件上下限值

步骤3：利用NSGA-II遗传算法对上述优化模型进行求解；

NSGA-II算法的基本过程是：首先，对设计变量进行编码后，在设计变量X的可行域内随机产生规模为N的初始种群P₀，通过遗传算法基本操作得到第一代子群Q₀，并将两个种群合并为规模2N的种群F₀；然后，对种群F₀进行快速非支配排序和拥挤度计算，通过拥挤度数值和非支配排序层级比较，选择出合适的个体组成新父种群P_t；最后，对新父种群P_t进行选择、变异、交叉得到新子群Q_t，将P_t与Q_t合并组成新的种群F_t，重复上述操作，直到满足算法终止条件。具体流程图如图7所示。

iSIGHT是一种智能多学科优化软件，可以同其他分析软件集成在一起解决复杂的多目标优化问题。本发明利用iSIGHT进行模型优化。

首先，利用MATLAB/Simulink软件搭建纯电动汽车经济性和动力性目标函数模型；接着，采用iSIGHT优化软件，通过调用在MATLAB/Simulink中所搭建的目标函数模型进行联合仿真优化。优化算法采用iSIGHT提供的NSGA-II遗传算法，集成优化流程如图8所示。

在优化过程中，iSIGHT自动调用MATLAB软件，并对MATLAB目标函数模型中的输入变量进行赋值，然后驱动MATLAB计算纯电动汽车经济性与动力性目标函数值，最后判断目标函数值是否达到最优，如果最优则优化结束，否则再次进行优化计算过程。

选用NEDC循环工况作为纯电动汽车的仿真工况，通过采用NSGA-II遗传算法，经过iSIGHT软件反复迭代优化，经济性和动力性目标函数值趋于稳定。

图9为纯电动汽车样车在NEDC循环工况下整车能耗随迭代次数的变化图；图10为样车在NEDC循环工况下动力性目标函数值随迭代次数的变化图。

步骤4：根据步骤3的结果，得到纯电动汽车两档AMT综合性能换挡规律。

最终基于MATLAB/Simulink的纯电动汽车整车模型和实例样车的主要技术参数进行NEDC循环工况仿真优化，优化后的综合换挡规律的换挡延迟量为5.13km/h，不同油门开度下的换挡车速如表4所示。

表4综合性能换挡规律的各个换挡点车速

通过上述数据可以得到本发明的最佳综合性能换挡规律曲线，如图11所示。

表5为不同换挡规律下整车性能指标比较表。

表5优化前后整车性能指标比较表

如表5所示，在NEDC循环工况下，优化前，经济性换挡规律和动力性换挡规律下的整车能耗分别为1.8229kw·h和1.8336kw·h，优化后，综合性能换挡规律下的整车能耗为1.8234kw·h。优化后，相对于动力性换挡规律，综合性能换挡规律下的整车能耗降低了，即经济性指标提高了。

表5中，优化前，经济性换挡规律下的加速度差值为1.2769m/s²，动力性换挡规律下的加速度差值为0.6793m/s²，优化后，综合性能换挡规律下，加速度差值为：0.6876m/s²。优化后，相对于经济性换挡规律，动力性能提升了46.15％。

根据上述数据可以得出：在综合性能换挡规律下，整车能耗基本不变，加速度差值有很大的变化。即通过该方法对换挡规律优化，使得经济性基本不变，动力性有很大提升，其效果较好。

本发明以纯电动两挡AMT为研究对象，以整车能耗和换挡点加速度差值作为目标函数，选定换挡点车速及换挡延迟量为优化变量，建立了兼顾经济性和动力性的综合换挡规律的优化模型，实现了纯电动汽车经济性和动力性的双重提升。