机电复合驱动车辆发电机性能评价方法研究

2022-01-04王胜科徐保荣

车辆与动力技术 2021年4期

王胜科，徐保荣，刘城，郭猛

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京100081；2.中国人民解放军 63966部队，北京100071)

机电复合传动是未来大功率机动平台传动的发展趋势，作为平台电能的主要供给方，针对机电复合传动系统发电机的评价研究较少，往往随整车进行测试.同时，机电复合驱动车辆对于发电机特性和指标要求与一般发电特性相比有明显的区别，主要体现在严苛的体积重量约束，以及对于功率特性和瞬态特性具有较高的需求.因此，有必要建立一个较为完善的发电机综合性能评价体系来实现与整车功能、性能相结合的集成评价，为最终电传动方案提供理论基础[1].

文中根据发电机的基本特性，从性能层和指标层提出发电机性能指标，在确定指标评价集之后，结合基于层次分析的模糊综合评价法，采用梯形隶属度函数建立机电复合驱动车辆发电机评价体系.

1 指标体系的构建过程

1.1 发电机模块指标集构建

指标体系的构建流程如图1所示[2].

图1 发电机模块指标体系的构建过程

对机电复合传动系统发电机模块上级、下级和自身的性能进行分析，采用系统分析法和解释结构模型法、初步确定评价指标体系.

发电机与发动机相连，主要为驱动系统、上装武器系统提供电能，并在必要时对电池进行充电.其主要指标有电压纹波系数、功率过载系数、转矩过载系数、额定电压、额定电流、额定功率、效率、工作转速、最大转速、转速变化率、质量功率密度、体积功率密度、电压刚度、耐盐雾、耐湿、使用寿命、温升速度、工作温度范围[3].

1.2 发电机评价指标体系研究

在发电机模块指标集基础上，分别运用解释结构模型法、系统分析法和纵向分解法构建各层级指标体系，对评价指标进行筛选及优化，最终形成各层级评价指标体系，并理清指标间关系，为后续评估方法提供理论基础.

1.2.1 评价指标筛选

依据可测试性、可评价性、机电传动相关性三条准则，对发电机指标体系进行筛选，采用专家调查法，筛选出初步评价体系的指标，进而获得各层级初步评价指标体系.

所有指标均为可测试指标，且与机电传动紧密相关，但是，功率/转矩过载系数、额定电压、额定电流、额定功率、工作转速、最大转速、转速变化率、和电压刚度为设计时确定的内控指标，是在设计时根据技术指标要求确定的，故这些指标并不具备可评价性.

根据以上分析，初步确定发电机模块评价指标体系为电压纹波系数、效率、质量功率密度、体积功率密度、耐盐雾、耐湿、使用寿命、工作温度范围.这些指标具有可比性、可测性，可作为后续性能评价的输入.

1.2.2 单指标体系结构优化

构建了每层的初步评价指标体系后，再分别对每个层次进行指标结构优化，主要考虑指标的独立性和关联性.由于采用系统分析法和解释结构模型法构建了较全面的评价指标体系，导致单个指标体系内仍有不合理的指标结构，主要是指标相互关联，或仍可继续分解.所以，对每个指标体系分别进行结构优化，主要依据以下原则：

1)指标体系层次结构尽量不存在混乱、交叉和重复的问题；

2)指标元素相互独立，不存在冗余；

3)指标独立且分解到位，达到不需要再分解就可以清楚描述评价目标的要求.

根据独立性、关联性原则对发电机评价指标体系进行优化，在评价指标体系中，“体积功率密度”与“质量功率密度”相关联，从指标的易测试性为出发点考虑，选取相应易测试的、或行业内常用的质量功率密度作为评价指标.

1.3 发电机评价指标树构建

在跨指标组、跨层次上考虑指标的独立性、关联性、测试便利性及必要性，分别对指标体系进行综合优化，最终构建完善的指标体系.优化后发电机最终评价指标如图2所示.

图2 优化后发电机最终评价指标体系

2 机电复合车辆发电机评估方法研究

2.1 发电机评估方法流程

鉴于在评价指标中，有“耐湿热能力”、“耐盐雾能力”等较难用定量指标统一评价的模糊指标，故采用基于层次分析的模糊综合评判法对发电机指标体系进行评价[4-5]，该方法的基本流程如图3所示，其以模糊综合评估方法为主，在确定各层指标权重时，采用层次分析法，这样既能体现各组成因素对系统性能的影响，又能客观合理地确定各指标对系统影响的重要程度.

2.2 发电机评估方法

2.2.1 指标数据标准化

由于指标相互之间通常具有不同的量纲和数量级，不能直接进行比较，因此需要对原指标值进行标准化(或规范化)处理，即将所有指标均规范到[0,1]标准区间内，同时采用一定方法转化成同级、正向可加的标准数据，以便于进行比较.

指标标准化中影响较大的一步为上下限的确定，指标上下限的确定直接影响到方案的得分.指标上下限的确定应根据目前在研装备性能、国外装备水平，并结合国家中长期发展规划综合得出，这样可以使得评价模型及方法具有一定的前瞻性及指导性.

根据行业当前水平、在研装备水平以及国家规划2025年目标，最终确定发电机模块的各定量指标上下限如表1所示.

表1 发电机各指标上下限

2.2.2 建立评价因素

(1)建立评价因素

评价因素是对评价项目评议的具体内容，通常可以表示成集合的形式

F=[F1,F2,…,Fn],

(1)

式中:n表示评价因素的个数.

可以根据评价因素的具体情况，如属性、数量等确定评价因素的级数．比如我们的评价指标是有两级，可以记为

F=[Fi-1,Fi-2,…,Fi-m],

(2)

式中：m表示2级评价因素的个数.

(2) 建立评价集

确定评价因素后，把每个因素分成5个等级的评价集，评价集指对各个评价因素的评价结果所组成的集合，5个等级则可以记为

V=[优，良，中，差，很差]．

总分定级时，取各级分数区间的中间值为等级参数，参数向量

C=(c1,c2,c3,c4,c5)=(95,85,75,65,30).

(3) 建立各级因素评估矩阵

首先将指标进行分类.按照机电传动系统实际情况，将指标分为2类：①客观评价指标，即可进行量化的指标，如工作温度范围、最大充/放电电流、效率等；②主观评价指标，即无法或者不便于进行直接量化的指标，如耐湿热能力、耐振能力等.

为将已有机电传动研究成果确定的指标参量的数据运用到评价过程中，采用梯形隶属度函数将数据进行量化，该隶属度函数的表达式为

(3)

对于需主观打分法进行评价的指标，主观评价采用百分制：优(>90分)、良(80～89分)、中(70～79分)、差(60～69分)和极差(<60分).优、良、中、差和极差的隶属度函数的转折点如下：

优，f(89,91,-,-)；

良，f(79,81,89,91) ；

中，f(69,71,79,81) ；

差，f(59,61,69,71) ；

极差，f(-,-,59,61).

梯形隶属度函数图像的一般形式如图4所示.

图4 梯形隶属度函数的一般形式

应用隶属度函数计算各层指标的评价值，形成各自的评价值数列.

2.2.3 建立权重矩阵

建立权重集是模糊综合评判的重点，因为各个评价因素对总体评价结果的重要度各不相同，通过建立权重集能很好的区分各因素的重要度.

(4)

式中：aij为评价指标i对评价指标j的相对重要度，取值范围为1～9，具体取值可以参考表2，且aij=1/aji.

表2 重要性标度含义表

求取上面的特征值，并进行一致性检验，满足一致性条件，可以继续进行以下步骤，不满足条件时，可以适当调整A中的各项的取值.然后求出对应特征值的特征向量，并进行归一化处理得到权重集W.

2.2.4 综合评价

模糊综合评估对式B=A*R中的模糊算子选择比较重要，不同的算子含义不同，对同一问题求出的结果也会不一样.通过对常用的几种模式优缺点进行分析后，选择模式M(*，+)，即加权平均模型.该模型考虑问题比较全面，对具有互补性的各因素进行评估有效性较高，其不仅能考虑所有因素对机电复合传动系统的影响，而且能保留单因素评估的全部信息，因此，选用M(*，+)模式进行模糊综合评判.

最终，由Q=B*CT得出评估结果并进行分析.

3 实例分析

按性能层、指标层对发电机模块进行分级评价，其性能层含有动力性(F1)和通用质量特性(F2)，以此构建一级评价体系F=[F1，F2].一级评价体系(性能层)下又分解成不同指标，构成二级评价体系，如对动力性来说,其二级评价体系有质量功率密度(F1-1)，效率(F1-2)，这样动力性的二级评价体系F1=[F1-1，F1-2].对于各级，分别采用不同方法获取其权重、并对各级内指标进行归一化和规范化处理，已获得该级综合评价性能值，以供上一级评价使用.