一种考虑制造成本的纯电动轮式装载机动力总成的多目标优化方法技术

本发明专利技术提供一种考虑制造成本的纯电动轮式装载机动力总成的多目标优化方法，包括以下步骤：1)获取纯电动轮式装载机的整车参数，分析纯电动轮式装载机动力总成的总成结构和动力传递情况，从而确定需要优化的纯电动轮式装载机部件；2)根据纯电动轮式装载机的整车参数和需要优化的纯电动轮式装载机部件，构建动力总成多目标优化模型；3)采用改进的多目标水母搜索算法对动力总成多目标优化模型进行迭代求解，获得最优动力总成设计参数解集。本发明专利技术能够解决多优化目标、多参数的纯电动轮式装载机动力总成参数优化问题，进而解决现有的设计方法无法对整车性能和制造成本进行科学的计算，仅考虑单个部件的优化等问题。仅考虑单个部件的优化等问题。仅考虑单个部件的优化等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑制造成本的纯电动轮式装载机动力总成的多目标优化方法


[0001]本专利技术涉及电动乘用车领域，具体是一种考虑制造成本的纯电动轮式装载机动力总成的多目标优化方法。

技术介绍

[0002]交通运输行业的碳排放大约占全球碳排放的25％，作为交通运输业碳排放的非道路移动源二氧化碳排放却并未受到应有的重视。生态环境部发布的《2021年中国移动源环境管理年报(摘录二)》公布了工程机械占非道路移动源排放总量的31.11％，因此工程机械的电动化在降低交通运输行业的碳排放方面具有重大潜力。以纯电动轮式装载机为代表的纯电动工程机械研发正处于起步阶段，其制造成本、运行性能成为制造者和客户所需应对的关键因素。
[0003]由于电池容量的限制，“里程焦虑”一直是限制车辆电气化的核心问题，电动乘用车领域的研究经验表明，提高动力总成的能源利用效率是延长续航里程的有效方法。纯电动轮式装载机运行工况复杂，目前缺乏通用的驾驶循环用于评估其运行性能，制造商缺乏科学的计算方式在设计阶段对整车的运行性能定量分析。同时，工程机械行业竞争充分且是典型的重资产行业，这使得制造商不得不考虑由于设计过程中带来的包括生产周期、原料消耗、加工设备等各类成本。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提出一种考虑制造成本的纯电动轮式装载机动力总成的多目标优化方法，在确定相应的整车参数及优化部件后，采用改进的水母搜索算法，对以特定客户需求工况运行性能、最高车速加速时间及制造成本为目标进行同时优化，为制造商提供多个最优的动力总成设计方案，与依靠传统经验的设计过程相比更加科学和实用。
[0005]为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，一种考虑制造成本的纯电动轮式装载机动力总成的多目标优化方法，包括以下步骤：
[0006]1)获取纯电动轮式装载机的整车参数，分析纯电动轮式装载机动力总成的总成结构和动力传递情况，从而确定需要优化的纯电动轮式装载机部件。
[0007]2)根据纯电动轮式装载机的整车参数和需要优化的纯电动轮式装载机部件，构建动力总成多目标优化模型。
[0008]3)采用改进的多目标水母搜索算法对动力总成多目标优化模型进行迭代求解，获得最优动力总成设计参数解集。
[0009]进一步，所述分析纯电动轮式装载机动力总成的总成结构包括：两档变速箱、电池、电机和驱动桥。
[0010]进一步，所述需要优化的纯电动轮式装载机部件包括主要优化部件和次要优化部件。
[0011]其中，主要优化部件为纯电动轮式装载机动力总成中的两档变速箱。
[0012]次要优化部件为纯电动轮式装载机动力总成中的电机、驱动桥和电池。
[0013]进一步，所述动力总成多目标优化模型的目标函数包括动力总成制造成本C的目标函数、特定客户需求工况电能消耗W的目标函数和最高车速的加速时间T的目标函数。
[0014]所述动力总成制造成本C的目标函数如下所示：
[0015]C＝C
motor
+C
bridge
+C
box
+C
battery
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0016]式中，C
motor
为电机成本。C
bridge
为驱动桥成本。C
box
为变速箱成本。C
battery
为电池成本。
[0017]所述变速箱成本C
box
如下所示：
[0018][0019]式中，m
e
为模数，b
e
为变速箱的齿轮齿宽，e＝1，2
…
n/2，Z
f
为变速箱的齿轮齿数，f＝1，2
…
n，n表示电机或驱动桥型号。c为变速箱制造成本中的拟合系数。
[0020]所述电池成本C
battery
如下所示：
[0021]C
battery
＝(a+b
×
R
P/E
)
×
W
battery
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0022]式中，
ɑ
、b为拟合系数。R
P/E
为电池功率能量比。W
battery
为满足工作需求的电池容量。
[0023]所述特定客户需求工况电能消耗W的目标函数如下所示：
[0024][0025]式中，c
i
为第i个物料下的客户需求百分比。F
ij
为第i个物料下第j时刻的装载机所需牵引力。T
i
为第i个物料下的铲装工况总时间。v
ij
为第i个物料下第j时刻所需的速度。η
m_ij
为第i个物料下第j时刻下的驱动电机效率。A为特定客户需求工况电能消耗的物料总数。B为特定客户需求工况电能消耗的时间总数。η
t
为传动总效率。t为时刻。
[0026]所述最高车速的加速时间T的目标函数如下所示：
[0027][0028]式中，m为整车质量。P
nmax
、T
nmax
为型号n的电机峰值功率、峰值转矩。i
ng
为型号n的驱动桥速比。f为道路摩擦系数。C
D
为空气阻力系数。A1为迎风面积。δ1为旋转质量换算系数。V
H1
为在1档状态下电机达到额定转速时整车的速度。V
max
为整车的最大速度。v为整车的速度，r为车轮滚动半径，i1为1档传动比。g为重力加速度。
[0029]进一步，所述动力总成多目标优化模型的约束条件包括：
[0030]约束条件1)：在不计坡度阻力时，装载机在路面上行驶所需的电机功率约束。
[0031]约束条件2)：装载机在铲装复杂工况时的功率约束。
[0032]约束条件3)：当选取车辆的最大牵引力为装载机在工况下能满足的最大铲装力时的装载机功率约束。
[0033]约束条件4)：驱动桥的传动比范围约束。
[0034]约束条件5)：当驱动电机处于最大输出扭矩的状态下时，动力总成需要的牵引力约束。
[0035]约束条件6)：在驱动电机处于最大输出转速的状态下，电机达到最大驱动力时，电机驱动力约束。
[0036]约束条件7)：电动转速约束。
[0037]约束条件8)：变速箱齿轮的约束。
[0038]约束条件9)：按齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度对齿轮进行的约束。
[0039]约束条件10)：对非变位的标准齿轮，太阳轮、行星轮和内齿圈满足同心的约束。
[0040]约束条件11)：两个相邻的行星轮的齿顶圆半径之和小于其中心距的约束。
[0041]约束条件12)：按齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度对行星轮系进行约束。
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑制造成本的纯电动轮式装载机动力总成的多目标优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取纯电动轮式装载机的整车参数，分析纯电动轮式装载机动力总成的总成结构和动力传递情况，从而确定需要优化的纯电动轮式装载机部件。2)根据纯电动轮式装载机的整车参数和需要优化的纯电动轮式装载机部件，构建动力总成多目标优化模型。3)采用改进的多目标水母搜索算法对动力总成多目标优化模型进行迭代求解，获得最优动力总成设计参数解集。2.根据权利要求1所述的一种考虑制造成本的纯电动轮式装载机动力总成的多目标优化方法，其特征在于，所述分析纯电动轮式装载机动力总成的总成结构包括：两档变速箱、电池、电机和驱动桥。3.根据权利要求1或2任一项所述的一种考虑制造成本的纯电动轮式装载机动力总成的多目标优化方法，其特征在于，所述需要优化的纯电动轮式装载机部件包括主要优化部件和次要优化部件；其中，主要优化部件为纯电动轮式装载机动力总成中的两档变速箱；次要优化部件为纯电动轮式装载机动力总成中的电机、驱动桥和电池。4.根据权利要求1所述的一种考虑制造成本的纯电动轮式装载机动力总成的多目标优化方法，其特征在于，所述动力总成多目标优化模型的目标函数包括动力总成制造成本C的目标函数、特定客户需求工况电能消耗W的目标函数和最高车速的加速时间T的目标函数；所述动力总成制造成本C的目标函数如下所示：C＝C
motor
+C
bridge
+C
box
+C
battery
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，C
motor
为电机成本；C
bridge
为驱动桥成本；C
box
为变速箱成本；C
battery
为电池成本；所述变速箱成本C
box
如下所示：式中，m
e
为模数，b
e
为变速箱的齿轮齿宽，e＝1，2
…
n/2，Z
f
为变速箱的齿轮齿数，f＝1，2
…
n，n表示电机或驱动桥型号；c为变速箱制造成本中的拟合系数；所述电池成本C
battery
如下所示：C
battery
＝(a+b
×
R
P/E
)
×
W
battery
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中，
ɑ
、b为拟合系数；R
P/E
为电池功率能量比；W
battery
为满足工作需求的电池容量；所述特定客户需求工况电能消耗W的目标函数如下所示：式中，c
i
为第i个物料下的客户需求百分比；F
ij
为第i个物料下第j时刻的装载机所需牵引力；T
i
为第i个物料下的铲装工况总时间；v
ij
为第i个物料下第j时刻所需的速度；η
m_ij
为第i个物料下第j时刻下的驱动电机效率；A为特定客户需求工况电能消耗的物料总数；B为特定客户需求工况电能消耗的时间总数；η
t
为传动总效率；t为时刻；所述最高车速的加速时间T的目标函数如下所示：
式中，m为整车质量；P
nmax
、T
nmax
为型号n的电机峰值功率、峰值转矩；i
ng
为型号n的驱动桥速比；f为道路摩擦系数；C
D
为空气阻力系数；A1为迎风面积；δ1为旋转质量换算系数；V
H1
为在1档状态下电机达到额定转速时整车的速度；V
max
为整车的最大速度；v为整车的速度，r为车轮滚动半径，i1为1档传动比；g为重力加速度。5.根据权利要求1所述的一种考虑制造成本的纯电动轮式装载机动力总成的多目标优化方法，其特征在于，所述动力总成多目标优化模型的约束条件包括：约束条件1)：在不计坡度阻力时，装载机在路面上行驶所需的电机功率约束；约束条件2)：装载机在铲装复杂工况时的功率约束；约束条件3)：当选取车辆的最大牵引力为装载机在工况下能满足的最大铲装力时的装载机功率约束；约束条件4)：驱动桥的传动比范围约束；约束条件5)：当驱动电机处于最大输出扭矩的状态下时，动力总成需要的牵引力约束；约束条件6)：在驱动电机处于最大输出转速的状态下，电机达到最大驱动力时，电机驱动力约束；约束条件7)：电动转速约束；约束条件8)：变速箱齿轮的约束；约束条件9)：按齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度对齿轮进行的约束；约束条件10)：对非变位的标准齿轮，太阳轮、行星轮和内齿圈满足同心的约束；约束条件11)：两个相邻的行星轮的齿顶圆半径之和小于其中心距的约束；约束条件12)：按齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度对行星轮系进行约束；约束条件13)：电池容量约束；在不计坡度阻力时，装载机在路面上行驶所需的电机功率约束如下所示：式中，m为整车质量；f为道路摩擦系数；g为重力加速度；η
t
为传动总效率；C
D
为空气阻力系数；A1为迎风面积；V
max
为整车的最大速度；P
v
为在不计坡度阻力时，装载机在路面上行驶所需的电机功率；装载机在铲装复杂工况时的功率约束如下所示：式中，ΔF为装载机插入物料时的阻力；V
c
为铲装物料过程中的速度；P
F
为装载机在铲装复杂工况时的功率；当选取车辆的最大牵引力为装载机在工况下能满足的最大铲装力时，此时的装载机功率约束如下所示：
式中，δ为装载机车轮在路面上的滑移率；驱动桥的传动比范围约束如下所示：式中，i
g
为驱动桥传动比；i
p
为设计变速箱最大传动比；为地面附着力；r为车轮滚动半径；F
tmax
为设计最大驱动力条件；η
t
为传动系统的效率；T
nmax
、T
nmin
为型号n的电机功率范围得到的电机最大转矩、最小转矩；当驱动电机处于最大输出扭矩的状态下时，动力总成需要的牵引力约束如下所示：式中，i
ng
为型号n的驱动桥速比；F
tnmax
为铲装所选工况的最大驱动力；i1为1档传动比；在驱动电机处于最大输出转速的状态下，电机达到最大驱动力时，电机驱动力约束如下所示：式中，i2为2档传动比；为保证纯电动装载机在工作区域转移的动力性能，电机转速约束如下所示：式中，n
nmax
为型号n的电机峰值转速；为避免加工时齿轮的根切现象，变速箱齿轮的约束条件如下所示：式中，m
e
为模数，b
e
为变速箱的齿轮齿宽，Z
e
为变速箱的齿轮齿数，e＝1，2
…
n，n表示不同型号的电机和驱动桥；k、h分别为齿宽倍数的上下限；Z
min
和Z
max
分别为变速箱齿轮的最小值和最大值；按齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度对齿轮进行约束，如下所示：
式中，d
n
为所校核齿轮副的小齿轮直径；m
n
为所校核齿轮副的小齿轮模数；Z
n
为所校核齿轮副的小齿轮齿数；Z
H
为区域系数；Z
E
为材料的弹性影响系数；K为载荷系数；Φ
d
为齿宽系数；u为齿数比；T1为啮合齿轮副中小齿轮的名义转矩；Y
F
ɑ
为小齿轮齿形系数；Y
S
ɑ
为应力矫正系数；σ
Hlim
为齿轮的接触疲劳极限；σ
Flim
为齿轮的弯曲疲劳极限；对于非变位的标准齿轮，太阳轮、行星轮和内齿圈满足同心的约束条件，如下所示：Z
a
+2Z
c
＝Z
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)式中，Z
a
为太阳轮齿数；Z
c
为行星轮齿数；Z
b
为齿圈齿数；两个相邻的行星轮的齿顶圆半径之和小于其中心距的约束如下所示：式中，d
c
为行星轮Z
c
的齿顶圆直径；
ɑ
′
ɑ
c
为太阳轮和行星轮啮合副的中心；n
p
为行星变速箱中行星轮系的行星轮数量；按齿面...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹华军，黄淇，黄潇辉，鄢万斌，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：