一種面向能耗的純電動汽車雙電機動力系統控制策略的製作方法
2023-05-06 19:33:56
本發明涉及新能源汽車動力系統技術領域，具體涉及一種面向能耗的純電動汽車雙電機動力系統控制策略。
背景技術：
電動汽車的動力性和經濟性一直作為電動汽車性能好壞的評價指標，良好的動力性能滿足駕駛過程急加速的需求，較好的經濟性能滿足汽車的續航裡程需求。然而，由於電機效率在各個工作點上存在差異，導致汽車動力性和經濟性之間存在著不可避免的矛盾，而電動汽車合理的控制策略能在一定程度上兼顧兩者在不同時刻的需求，調節兩者之間的矛盾。
因此，一些學者開始以考慮電動汽車動力性和經濟性為目標對動力總成系統的換擋控制策略展開研究。在單電機多檔動力系統換擋控制策略研究方面，Mousavi等提出了一種無動力中斷的兩檔變速器，以最短換擋時間和能量損失為目標制定了最優的換擋策略。Hu等在分析換擋前後扭矩波動的基礎上提出了兩檔變速器的換擋策略，並以減少換擋衝擊為目標提出了換擋過程中的扭矩補償策略。江清華根據電池系統的荷電狀態，分別制定了基於車速、油門開度和加速度的三參數最佳動力性換擋規律和最佳經濟性換擋規律。Nandi等提出了一種滿足駕駛舒適性的電動汽車駕駛策略，利用粒子群算法以最短加速時間和最小電池消耗為目標尋求汽車最優加速度。
雙電機動力系統由於其更優的動力性能和經濟性能得到廣泛的研究，然而雙電機動力系統存在多種工作模式，對雙電機的控制涉及兩個電機轉速轉矩的分配及工作模式的劃分，使得對雙電機動力系統的控制更加複雜。在雙電機動力系統控制策略研究方面，張運昌通過計算動力模式和經濟模式需求轉矩，基於最小電功率原則實現工作模式的劃分以及耦合模式轉速和轉矩的分配。Zhang等以最小能量消耗和模式更換頻率為目標對雙電機動力系統的控制策略進行優化分析，得到了不同工作模式的工作點和電機功率分配策略。劉德春在提出控制策略框架的基礎上對需求轉矩和補償轉矩進行了分析計算，並對耦合模式下兩個電機轉矩的分配進行了分析。Hu等提出一種新的雙電機轉速轉矩耦合構型，並對其四種模式切換策略做了分析，仿真結果表明該雙電機動力系統比單電機兩檔傳動系統具有更高的能量利用率。
以上研究所提出的雙電機動力系統的轉矩耦合模式都是通過太陽輪實現的，使得電動汽車在低速運行時動力強勁，但中速時的動力性能較差。並且，以上研究中所提出的基於經濟性的控制策略在轉矩補償時並未充分考慮電池、電機的負荷信息，在電機高負荷或電池低電量時進行補償極易造成電機、電池的損壞。
因此，本發明在前期研究工作中提出了一種新型的雙電機動力系統，其特點是避免了多個制動器、離合器的使用，而且轉矩耦合在齒圈上進行，很好地解決了中速時動力不足的問題。本發明面向能耗對其控制策略展開研究：首先基於駕駛員對加速踏板的控制信息，同時考慮車輛狀態信息、電機狀態以及電池信息等對電動機需求轉矩進行實時計算；其次對轉矩耦合和轉速耦合兩種工作模式下兩個電機基於最小能耗原則實現轉速轉矩的最優分配；最後在轉速轉矩最優分配的基礎上，基於最小能耗原則對雙電機動力系統進行工作模式劃分，即獲得純電動車汽車雙電機動力系統控制策略，並通過Simulink對其可靠性進行驗證。
技術實現要素：
本發明的目的是面向能耗對雙電機動力系統的工作模式和轉矩轉速分配進行研究，以獲取該系統的最佳控制方案，實現能量利用率和動力性的綜合提升。
為實現本發明目的所採用的技術方案是這樣的，即一種面向能耗的純電動汽車雙電機動力系統控制策略，包括以下步驟：
步驟1：基於駕駛員對加速踏板的控制信息，同時考慮車輛狀態信息(實時車速，道路坡度等)、電機狀態(電機啟停、轉矩轉速等)以及電池信息(溫度，剩餘電量)等對電動機需求轉矩進行實時計算；
步驟2：在需求轉矩的計算結果基礎上，對轉矩耦合和轉速耦合兩種工作模式下兩個電機基於最小能耗原則實現轉速轉矩的最優分配。
步驟3：在轉速轉矩最優分配的基礎上，基於最小能耗原則對雙電機動力系統進行工作模式劃分，即獲得純電動車汽車雙電機動力系統控制策略，並通過Simulink對其可靠性進行驗證。
優選地，步驟1中，所述基於加速踏板信息、車輛狀態、電機狀態以及電池信息等對電動機需求轉矩進行實時計算的過程為：
需求轉矩的獲取實質上為不同道路情況下對駕駛員意圖進行解析，以獲得汽車行駛所需求的轉矩，包括基本轉矩和補償轉矩，其關係為：
Treq＝Tb+Tadd
其中，Tb表示電動汽車行駛所需的基礎轉矩；Tadd表示為提高電動汽車動力性能增加的補償轉矩。雙電機動力系統需求扭矩計算流程如圖3。
(1)基本轉矩的確定
加速踏板開度與轉矩比例係數「直線型」方式控制較為簡單，常用在早期的驅動系統的控制策略中，能滿足汽車行駛的基本要求。然而，該方式未考慮汽車行駛過程中需求轉矩與電動汽車能提供的最大扭矩之間的關係，不能充分發揮雙電機動力系統的節能優勢，根據新歐洲行駛循環工況NEDC(New European Driving Cycle)信息對其進行修正過程如下：
為了對「直線型」踏板開度與電機轉矩比例係數圖進行修正，首先對汽車在NEDC工況下行駛過程中加速踏板開度進行統計。如圖4所示，橫坐標表示工況時間，縱坐標表示採用「直線型」加速踏板開度與驅動轉矩關係時，車輛所需扭矩與最大驅動扭矩比值，即此時的加速踏板開度。結果表明，若採用「直線型」加速踏板控制關係，在NEDC標準工況行駛過程中，91％的情況下加速踏板開度使用情況集中在40％以內，該設置方式極不合理，不滿足駕駛習慣。
此外，若採用「上凸型」動力輸出策略，能使電動汽車在絕大部分時間內保持較優的加速性能。然而，較優的加速性能需要動力電池時刻提供較大的放電倍率。電池大的放電倍率不僅可能降低電池的使用壽命而且增加了電動汽車的能耗，降低電動汽車續航裡程。
基於此，基於標準工況需求轉矩統計信息對「直線型」曲線修正，採用「下凹型」轉矩負荷係數和加速踏板開度曲線的控制方式，如圖5中虛線所示。由標準工況統計信息表明，雙電機動力系統的工況轉矩負荷率幾乎均在40％以內，同時，為了對急加速或爬坡過程中實現轉矩補償，設置系統總負荷率為95％，剩餘5％的轉矩負荷可用於轉矩補償，即加速踏板開度0-100％對應系統轉矩負荷率0-95％。
由以上k-l圖可得，採用本發明提出的「下凹型」轉矩負荷係數和加速踏板開度曲線的控制方式，電動汽車標準工況行駛過程中，大部分時間油門開度能覆蓋60％以內，具有較好駕駛舒適性的同時，也具有較好的經濟性。
汽車基本轉矩表示汽車為達到目標車速而需要的轉矩，其輸出值的大小與汽車加速踏板開度(k)信息密切相關，駕駛員能通過控制加速踏板開度直接控制汽車轉矩的輸出。令k-l曲線滿足l＝f(k)，則有基本轉矩Tb滿足
Tb＝l·Tvmax＝f(k)·Tvmax
其中，Tvmax為車速v下電動汽車能提供的最大扭矩。
為快速準確獲得電動汽車在車速v時能提供的最大扭矩Tvmax，需根據雙電機動力系統參數繪製基於汽車時速和車輪扭矩的等效驅動力圖，並對工作模式進行劃分，如圖6所示。
在整個汽車行駛速度範圍內，最大驅動力可按照車速分為五個區間：
1)電機M1單獨驅動時的峰值恆扭矩驅動力：
2)電機M1單獨驅動時的恆功率驅動力：
其中v滿足v1表示電機M1單獨驅動和轉矩耦合驅動驅動力相等時的車速。
3)雙電機轉矩耦合驅動時峰值恆扭矩驅動力：
其中v滿足
4)雙電機轉矩耦合驅動時恆功率驅動力：
其中v滿足
5)雙電機轉速耦合驅動時，最大驅動力由電機M2決定，此時滿足：
其中v滿足
因此通過加速踏板開度值查表可獲得轉矩負荷係數，從而根據車速信息求得該車速下最大驅動力，進而獲得電動汽車雙電機動力系統基本扭矩Tb。
(2)基於低能耗原則獲取補償轉矩
綜合考慮汽車在爬坡或者急加速情況，對所得的基本轉矩進行一定的補償，在保證電動汽車經濟性的前提下，提高電動汽車的動力性。
為降低電動汽車能耗，本發明制定的轉矩補償策略與踏板信息、道路信息、電機信息以及電池信息相關，如圖7所示。其中，踏板開度變化率和坡度信息最能反映急加速和爬坡情況，為電動汽車轉矩補償提供信號支持。而動力電池和驅動電機作為整車驅動系統的核心，其實時信息為轉矩最優補償提供約束條件。因此，綜合考慮以上因素對雙電機動力系統進行轉矩補償，是本發明需求轉矩獲取的核心思想。下面對以上信息做詳細說明。
1)電池信息：急加速或者爬坡過程中，對轉矩進行補償時，需考慮此時電池SOC以及電池溫度T。電池SOC較低或放電電流過大，造成電池溫度過高時，較大的補償轉矩容易造成電池放電過快，降低電動汽車續航裡程，甚至會降低電池的使用壽命，不宜對轉矩進行補償。因此，本發明對雙電機動力系統進行轉矩補償時需滿足以下兩個條件：
其中，SOC(t)表示動力電池實時剩餘電量，SOClim表示電動汽車進行轉矩補償時動力電池的臨界剩餘電量，考慮到電動汽車動力電池最低SOC值為10％左右，本文設置SOClim為20％；T(t)表示動力電池實時溫度，Tlim表示電動汽車進行轉矩補償時動力電池的臨界溫度。
2)電機信息：由電動汽車效率特性分析可知，電機工作區間對電動汽車能耗有著重要的影響。電機負荷率較低時，適當進行轉矩補償可讓電機工作在更高效的區間。而在少數工作情況下，電機負荷率較高，不宜進行轉矩補償，否則會降低電機工作效率，不利於提高續航裡程，甚至損壞電機。
因此，由基礎轉矩和此時最大轉矩獲得實時電機負荷率，通過對電機效率MAP圖的分析可知，當電機負荷率γ超過60％時，進行轉矩補償易造成電機效率降低。故發明對雙電機動力系統進行轉矩補償時需滿足以下條件：
3)踏板信息：
踏板信息能在一定程度上反映急加速意圖，故補償轉矩Tadd1的大小一方面和加速踏板開度有關，另一方面與加速踏板開度變化率有關，即
其中dk/dt表示加速踏板開度變化率。
為根據加速踏板開度變化率對轉矩提供準確有效的補償，對NEDC標準工況下加速踏板開度變化情況進行統計分析結果如圖8所示。
採用本發明提供的「下凹型」動力輸出策略，其加速踏板開度變化率範圍為0-30％。但考慮到實際路況下的車輛的需求加速度要大於NEDC標準工況下的車輛需求加速度，即實際路況下的加速踏板開度變化率要大於NEDC標準工況下的加速踏板開度變化率。因此，本發明設定實際加速踏板開度變化率範圍2倍於NEDC工況下。即設置加速踏板開度變化率範圍為0-60％時進行扭矩線性補償，大於60％時進行恆扭矩補償。即開度變化率為0時，補償轉矩為0；開度變化率為60％及以上時，以電動汽車能輸出的最大轉矩進行補償。令a為加速踏板開度變化率係數，其變化範圍為0-100％，與踏板開度變化率成正比，如圖9所示。
考慮到汽車行駛低速時扭矩補償應較大，高速時扭矩補償應適當減小的特點，符合電動汽車最大驅動力隨車速變化的趨勢。因此針對加速踏板信息所設定的補償轉矩滿足：
其中，Tadd1表示急加速補償轉矩，Tb(k)表示車速v下加速踏板開度為k時所對應的基礎轉矩，a表示加速踏板開度變化率係數，m1為急加速比例係數。
4)道路信息：根據道路坡度情況實時對基礎轉矩進行適當補償，有利於提高電動汽車的駕駛舒適性。同時，補償轉矩與爬坡時加速踏板開度k有關。即補償轉矩滿足
Tadd2＝f(k,θ)
根據設計指標的要求，雙電機動力系統電動車的最大爬坡度為30％。與急加速時轉矩補償策略類似，設置坡度θ與坡度係數b滿足正比關係，如圖10所示。
因此，可得電動汽車爬坡時的補償轉矩為：
Tadd2＝(Tvmax-Tb(k))·b＝(Tvmax-Tb(k))·m2θ
其中，m2為爬坡比例係數。
故電動汽車滿足電池約束和電機約束條件時，可在急加速或者爬坡時進行一定的轉矩補償，以保證電動汽車在良好經濟性同時具有較好的動力性。
因此，通過計算電動汽車基礎轉矩及補償轉矩可獲得雙電機動力系統實時需求轉矩Treq
優選地，步驟2中，所述對轉矩耦合和轉速耦合兩種工作模式下兩個電機基於最小能耗原則實現轉速轉矩的最優分配過程為：
雙電機動力系統具有四種不同的工作模式：電機M1接太陽輪，M2接齒圈，M1單獨工作，低速大扭矩工況工作模式；電機M1不接入，M2接齒圈，M2單獨工作，中速小扭矩工況工作模式；電機M1、M2接齒圈，轉矩耦合，中速大扭矩工況工作模式；電機M1接太陽輪，M2接齒圈，轉速耦合，高速工況工作模式。
為確定雙電機動力系統最優工作模式，需根據電動汽車行駛工況對四種工作模式下的能耗進行計算，計算流程如圖11所示。
駕駛員通過控制加速踏板開度以達到目標車速，根據需求轉矩公式可獲得電動汽車行駛需求扭矩。對轉速耦合和轉矩耦合工作模式進行兩個電機轉速轉矩分配，進而計算各個工作模式的最小能量消耗，並對結果進行對比，得出能耗最小的工作模式，即為雙電機動力系統等效驅動力圖上對應工作點的最優工作模式。
為實現雙電機動力系統高效運行，需對轉矩耦合以及轉速耦合模式進行動力分配。
(1)轉矩耦合模式轉矩分配策略
雙電機轉矩耦合模式下電機轉矩轉速滿足：
其中，T1、T2分別表示電機M1、電機M2的轉矩，n1、n2分別表示電機M1、電機M2的轉速，Ti、vi分別表示汽車在工作點i時的車輪驅動力和車速。
由於本發明提出雙電機動力系統的轉矩耦合原理為電機M1和電機M2同時作用在齒圈上，故只要兩電機轉速滿足汽車車速，兩電機轉矩相對獨立，可在自己允許工作範圍內任意組合。為實現最小能量消耗，制定了兩電機轉矩最優分配流程，如圖12所示。
以上流程中，電機M1初始轉矩T10取電機M1轉矩範圍的最小值，ΔT表示每一次迭代過程中電機M1轉矩增量，取值為1N·m。且對應電機M2轉矩T2i＝Treq-T1i。通過以上迭代流程，可尋找出滿足車速v0的最小能耗組合，其所對應的兩個電機轉矩即為該情況下最優轉矩組合。
(2)轉速耦合模式轉速轉矩分配策略
轉速耦合模式工作時電機轉矩轉速滿足：
式中α表示行星齒輪特徵參數。
由於採用雙電機轉速耦合驅動時，電機M1和電機M2轉矩之間存在固定比例。可通過需求轉矩對電機各自轉速進行約束。以電機能耗消耗最低為原則制定雙電機轉速分配流程，如圖13所示。
其中，初始轉速n10取電機M1轉速範圍內最小轉速，Δn表示每一次迭代過程中電機M1轉速增量，取為5r/min。
在滿足電機轉矩的基礎上，需確定電機M1和電機M2工作轉速範圍。根據需求轉矩可得出電機M1和電機M2扭矩，進而確定各自工作轉速。
因此兩電機最高轉速滿足：
優選地，步驟3中，所述雙電機動力系統的工作模式劃分過程為：
基於電動汽車最少能量消耗的原則對雙電機動力系統工作模式進行劃分，即確定等效驅動力圖上不同工作點能量消耗最少的工作模式。
E＝min(E1,E2,E3,E4)
其中E1、E2、E3、E4分別為四種工作模式工作時消耗的能量。
(1)工作模式一能耗
工作模式一的動力系統能耗主要與電機工作效率和減速器效率有關。在滿足電機最高轉速和最大轉矩的基礎上，此時系統能耗主要指電機M1的輸入能量，則有
其中，電機轉速扭矩因此模式一消耗能量為
式中，η1表示電機M1工作點處的實時效率，Δt表示電機實時效率所對應時間點的鄰域範圍。
(2)工作模式二能耗
雙電機動力系統工作模式二能量消耗計算方法與工作模式一相同，在滿足電機最高轉速和最大轉矩的基礎上，則有
式中，η2表示電機M2工作點處的實時效率。故此時模式一和模式二能量消耗主要由電機實時效率決定。
(3)工作模式三能耗
在雙電機動力系統工作模式三中，電機M1和電機M2可通過協調各自的轉矩以滿足需求轉矩，此時兩者轉速隨著車速自動調節。因此，此時雙電機動力系統能耗由兩個電機能耗之和構成，即
其中EM1、EM2分別表示電機M1、電機M2的能耗。每個電機的轉速和轉矩可根據上節提到的雙電機動力系統轉矩耦合下兩個電機轉矩的分配策略得出。
(4)工作模式四能耗
工作模式四中行星機構太陽輪和齒圈上轉矩存在固定關係，故只需通過調節各自轉速以滿足車速要求。此時雙電機動力系統能耗由電機M1電機M2能耗共同組成。
每個電機的轉速和轉矩可根據前述雙電機動力系統轉速耦合下兩個電機轉矩轉速的分配策略得出。
因此，根據以上各個模式能耗計算方法對等效驅動力圖中各個工作點能耗進行計算，可確定在車速vi和需求轉矩Ti的情況下，消耗的能量最小的工作模式。選擇各個工作點上能耗最小的工作模式作為電動汽車工作模式，從而實現對等效驅動力圖進行模式劃分。
優選地，步驟3中，所述驗證雙電機動力系統控制策略可靠性採用的是MATLAB/Simulink仿真分析：
雙電機動力系統仿真模型主要包括工況模型、駕駛員模型、整車動力學模型、主傳動系統模型、行星耦合機構模型、控制策略模型、電機模型以及電池模型。藉助MATLAB/Simulink模塊依次對各個模塊進行建模，以對雙電機動力系統性能進行仿真分析。正向仿真流程如圖14所示。
附圖說明
圖1雙電機動力耦合系統
圖2雙電機動力系統控制策略總體框架
圖3需求轉矩的計算流程
圖4 NEDC工況踏板開度
圖5踏板開度與負載係數曲線
圖6等效驅動力圖
圖7轉矩補償影響因素
圖8 NEDC工況踏板開度變化率
圖9踏板開度變化率與開度變化率係數關係
圖10坡度係數曲線
圖11工作模式劃分流程
圖12轉矩分配流程
圖13轉速分配流程
圖14正向仿真流程
圖15轉矩分配策略
圖16轉速分配策略
圖17工作模式劃分
圖18車速跟蹤情況
圖19工況扭矩補償
圖20工作模式隨時間切換情況
圖21電機M1轉速轉矩
圖22電機M2轉速轉矩
圖23工況NEDC電池SOC
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，但不應該理解為本發明上述主題範圍僅限於下述實施例。在不脫離本發明上述技術思想的情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應包括在本發明的保護範圍內。
本實施例以重慶某汽車有限公司某型號純電動車為研究對象，其動力性指標為：最高車速vmax為120km/h，百公裡加速時間at為18s，最大爬坡度Imax為30％。該電動汽車整車基本參數如表1所示，並對其進行雙電機動力系統參數匹配，如表2所示。
表1整車參數
表2動力系統參數
根據雙電機動力系統轉速轉矩分配方法獲得以下數據：
圖15表示雙電機轉矩分配策略表部分數據，其中行表示轉矩耦合工作時汽車車輪需求扭矩，列表示目標時速範圍，表格中對應的數值表示轉矩耦合時，電機M1轉矩分配值，電機M2轉矩可通過計算得到，此時電動汽車能耗最低。
圖16表示電動汽車轉速分配策略表，圖中對應數值為效率較高時電機M1所分配的轉速，電機M2的轉速可通過計算可得。
對等效驅動力圖進行模式劃分，具體劃分情況如圖17。
根據電動汽車仿真模型，輸入動力系統參數，以NEDC標準工況為例進行仿真。圖18為雙電機動力系統工況車速跟隨情況，從圖中可看出整個工況過程中，汽車車速跟隨較好，同時在加速過程中具有一定的補償能力，具體補償情況如圖19所示。
採用雙電機動力系統進行驅動時，根據工況車速以及需求扭矩信息，基於兩電機轉矩轉速分配規則，自動匹配雙電機的不同工作模式，從而在滿足動力需求的同時保證了較低的能耗。在仿真過程中，雙電機動力系統工作模式隨著NEDC工況切換情況如圖20所示，其中「0」表示汽車停車狀態；「1—4」分別表示四種工作模式。
因此，根據行駛過程中雙電機動力系統工作模式，可明確兩個電機工作轉速和轉矩情況，如圖21、圖22所示。
通過以上仿真分析可知採用雙電機動力系統，電動汽車可滿足汽車道路行駛要求。同時，基於電池剩餘電量對雙電機動力系統進行仿真分析，NEDC工況下電池剩餘電量曲線，如圖23所示。在電池SOC為10％時，雙電機動力系統的電動汽車行駛裡程為189.2km，較原車採用單電機動力系統續航裡程170km具有一定的提升。