基于量子遗传智能算法的双电机混合驱动系统电动汽车动力系统匹配与优化外文翻译资料

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基于量子遗传智能算法的双电机混合驱动系统电动汽车动力系统匹配与优化

摘要

为了增加续航里程，提高纯电动汽车的整体性能，本文提出了一种新型的双电机混合动力驱动系统。该系统实现了两个电源之间的转矩 - 速度耦合，大大拓宽了电机的高性能工作范围;同时，实现了无级变速（CVT）以有效地增加行驶里程。使用“全局优化方法”确定动力系统参数;因此，车辆的动力性和经济性被当作优化指标。在初步匹配的基础上，引入量子遗传算法优化双电机混合动力系统的匹配。在Matlab / Simulink和AVL-Cruise的组合仿真平台上进行了向后仿真，以优化，仿真和验证传动系统的系统参数。结果表明，量子遗传算法在处理多目标和多参数优化时具有良好的全局优化能力和收敛性。电动汽车的双电机混合驱动系统很好满足了设计的动力性能和经济性要求，有效地提高了汽车的续航里程，使其具有更高性能，与单变速箱的传统电动汽车相比，能耗降低了15.6％。

1引言

全球能源消耗持续增加，而石油资源会随着时间的推移而枯竭；随着空气污染的加剧，世界各国政府和企业将节约能源作为未来车辆技术发展的主要考虑因素。电动汽车及相关关键技术的发展是实现节能和环保的最有效途径之一。新能源汽车包括混合动力汽车，纯电动汽车和燃料电池汽车；这些车辆的发展对于实现国家能源安全和环境保护以及汽车工业的健康和可持续发展至关重要。在纯电动汽车中，电池用于存储能量，电动机用于驱动。与混合动力汽车不同，纯电动汽车具有零排放，低噪音和结构简单的优点 --这为汽车工业带来了光明前景，因此受到了世界各国政府和汽车公司的广泛关注。动力系统是电动汽车的重要组成部分，主要包括电机驱动系统和机械传动系统。它通过将能量存储装置的电能转换成机械能来推动汽车克服一切行驶阻力并通过将车辆的动能在减速和制动期间转换成电能存储在存储装置中的来起作用 - 这种制动模式被称为再生制动。电机驱动系统由电机、逆变器和电机控制器组成，它是决定汽车整体性能的因素之一。电动汽车电机驱动系统

的要求比传统工业用电机驱动系统要严格得多：驱动系统必须具有良好的速度和转矩控制能力，宽的速度范围，相对宽的高性能工作范围，高功率密度比，良好的环境适应性，良好的可靠性等等。

目前，用于电动汽车的主流电动机驱动系统包括感应电动机驱动系统，永磁同步电动机驱动系统，无刷直流电动机驱动系统，开关磁阻电动机驱动系统以及通过改进上述系统而设计的其他系统。在这些系统中，永磁同步电动机驱动系统的整体性能最好;该系统的优点包括功率密度高，尺寸小，重量轻和性能高。它是最受欢迎的电动汽车电机驱动系统。纯电动汽车的动力系统主要包括单个电动机和传动装置。这种结构在低速 - 低负载，低速 - 高负载和高速 - 低负载条件下性能很低；它的行驶里程也很短。随着电机控制技术的发展，消费者对汽车性能的期望越来越高；特别是从驾驶舒适性和安全性的角度来看，装载自动变速装置和更大的行驶里程将成为纯电动汽车的发展趋势。行驶里程的提升取决于电池技术以及动力总成及其控制技术。开发高效率的传动系统和功能全面的能量管理控制策略，以提高行驶里程和整体性能是电动汽车技术的主要研究方向。

本文介绍了一种用于电动汽车的新型双电机混合驱动系统;该系统具有两个动力源用于不同环境下的混合驱动。该系统极大地拓宽了合成动力源的高性能工作范围，有效地增加了电动汽车的续航里程。此外，该系统具有电动无级变速（ECVT）功能，其允许动力系统在双电机的混合动力驱动下进行无级变速（CVT） - 因此，通过阶梯式齿轮传动消除了动力源的运行范围限制，并通过扩大传动系统的速比范围来改善续航里程。除了保证行车安全性外，还提高了制动能量回收效率，进一步提高了纯电动车的续航里程。同时，CVT还改善了车辆的驾驶性能。

由于两个独立的电动机用作双电机混合动力驱动系统中的动力源，所以双电机汽车在驱动模式方面与传统的电动汽车非常不同。尽管传动系统的配置保持不变，但是双电机汽车具有多种传动模式：主/辅电传动模式，其中两个电动机可以根据动力需求并联或串联工作；混合驱动传动模式，其中两个电动机并联工作;和速度控制电传动模式，其中主电机专门提供加速，而辅助电机调节速度。因此，双电动机电动汽车的动力系统的设计与现有的电动汽车的动力系统的设计存在很大差异。在本研究中，采用智能算法对传动系统进行参数设计，引入量子遗传算法进行匹配和优化计算，得到动力系统的最优关键参数。

2混合动力系统的系统结构和工作模式

图1展示了当前研究中提出的双电机混合驱动系统的示意图。该系统包括单级行星齿轮组，两个永磁体同步电动机，两个制动器和一个离合器。行星齿轮中的太阳轮直接连接到电动机B的输出轴;环形齿轮c可以通过滚动齿轮e直接连接到电动机A的输出轴，或者通过离合器C1直接连接到太阳齿轮a;行星架d通过通用传动装置连接到轴上以输出动力;制动器B1的可动部分与箱体连接，而其固定部分与电动机A的输出轴连接，该部分使环形齿轮c能够通过制动器B1滚动;制动器B2的可动部分连接到箱体，并且固定部分连接到电动机B的输出轴，并且该部分使得太阳齿轮a能够通过制动器B2滚动。

测定工作模式是研究动力系统的核心问题之一。其目标是基于汽车的当前状况（速度，驾驶模式，踏板开度等）在电动机A和B之间适当地分配所需的扭矩，以便获得良好的经济性和动力性。太阳齿轮和环形齿轮的滚动和制动导致它们的连接和断开，这使得双电机混合动力驱动汽车能够在不同工作模式之间切换。根据电机A和B，制动器和离合器的工作状态，在当前的研究中确定了8种工作模式，如表1所示。

双电机混合驱动动力系统有多种动力驱动类别：电机A和B作为电动动力源能够提供机械动力驱动汽车，在制动时用作发动机。当制动和停车时，电机关闭，两个制动器都被激活，离合器被释放以满足停车要求。当汽车必须保持在空档位置时，电机关闭，制动器和离合器全部释放。当汽车以相对较高的速度行驶时，电动机A专门为汽车提供动力，而制动器B2用于制动;太阳齿轮被锁定，并且通过滚动齿轮和齿圈实现电机A的动力输入，同时通过行星架实现其动力输出。这有助于在低速减速后获得所需的功率输出，并满足汽车的低扭矩要求。当汽车以相对较低的速度行驶时，电动机B单独为汽车提供动力，而制动器B1用于制动：滚动齿轮被锁定，因此环形齿轮被锁定;通过太阳轮和行星架分别实现电动机B的功率输入和输出，以实现大速比减速后的功率输出，满足高转矩要求。当汽车处于中等负载时，制动器和离合器全部释放，行星齿轮组解锁;电动机A和B通过行星齿轮组实现速度耦合和混合动力驱动，从而实现无级变速。当汽车处于大负载下时（例如，在爬坡和过载启动期间），两个制动器都被释放，离合器被连接，并且行星齿轮组被锁定让电动机A和B实现扭矩耦合来整体混合驱动汽车。当汽车减速时，通过控制两个制动器的状态来实现电动机A或B的再生制动。当切换工作模式时，电动机通过怠速转矩来调节和控制系统，以实现太阳齿轮和齿圈的相对小的合力矩。电机被充分用于调节和实现模式之间的灵活切换，可以方便地实现制动器和离合器的释放和连接，减少切换齿轮时的冲击。

图1整体结构

表1工作模式汇总

3双电机混合驱动系统的参数匹配

动力系统参数匹配是纯电动汽车设计和开发的重要一步。该步骤主要集中在根据车辆的设计要求选择动力系统的系统组件和进行参数设计。与混合动力汽车和燃料电池汽车的结构相比，纯电动汽车的结构相对简单 - 动力系统主要包括电动机，电池和传动系统，它们也是参数匹配需要考虑的部分。

4总功率需求的计算

双电机混合驱动系统是车辆的直接地动力来源，因此，其参数是通过考虑常规驾驶的要求以及动态性能来确定的。常规驾驶要求如下：

1. 必须能在坡度为的坡道上按最小、稳定的速度要求行驶；
2. 必须能够以最大的恒定速度行驶；
3. 必须能够达到车辆从0加速到100公里/小时的时间要求；

动态性能要求如下:

1. 最大功率基于最大爬坡能力确定；

（1）其中是最低稳定速度，m是整车质量，g是重力加速度，f是滚动阻力系数，是空气阻力系数，A是正面投影面积，是机械效率。

(b)最大功率基于最大速度确定

1. 在加速结束时，电机的功率输出最高，加速时的最大功率需求如下：

,

其中是旋转质量校正系数，是加速结束时的速度，是加速时间，x是拟合系数。

根据上述三个动态性能指标的最大功率，总功率必须满足上述要求：

.

5电动机参数匹配

由于电动机具有令人满意的工作性能，其中包括长工作时间内的额定性能和短工作内的峰值性能，这些电动机的输出额定功率可以满足最大速度的功率要求，而电动机在较短的工作时间可以满足汽车对加速和爬坡的要求。用于驱动的电动机的选择包括电动机A和B的参数选择，初步标准如下：电动机B应主要满足爬升和加速的要求，两个电动机的额定功率之和应满足总功率的要求。电动机的外部特性如下：低于额定转速，它们以恒转矩模式工作;在额定速度以上，它们以恒定功率模式工作。电机的相关参数选择包括额定功率，峰值功率，额定转速和最大转速。由于系统使用行星齿轮组，因此在匹配电机参数时应考虑行星齿轮的传动特性：

，

其中是太阳轮速度，是环形齿轮速度，是行星齿轮速度，是太阳轮扭矩，是环形齿轮扭矩，是行星轮扭矩，k是行星齿轮参数，它等于齿圈和太阳齿轮之间的齿轮比。

6电动机参数匹配

根据系统的工作机理和模式，匹配的电机参数以及行星齿轮的传动特性，行星齿轮组参数k的范围和主减速比能够计算出来。为了满足最大爬坡能力和最大速度的要求，k和应满足如下情况：

其中是电机A的转速，是电机B的峰值扭矩，是行星架的最大速度，是电机A的峰值转速。

7电池组的参数匹配

在目前的研究中，使用性能良好的锂离子电池组。市场上单个锂离子电池单元的额定电压为3.2 V。电池组有100个单元，总电压为320 V。电池组的容量必须能够满足汽车续航里程的要求，如下所示：

表二：电动汽车的参数

其中是车速恒定时的功率，s是设计要求的驱动范围，U是电池电压，是电池放电容量系数，它是电池平均效率和电机平均效率的乘积，且是恒定速度。

8双电机纯电动汽车混合驱动系统的参数优化

表2列出了根据项目要求确定的技术参数，表3列出了根据上述匹配标准的系统参数的初步匹配结果。

表3：电动车辆的动力系统参数。

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