CN102275527A - 电动汽车的变速器挡位和电机转矩的控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种电动汽车的变速器挡位和电机转矩的控制方法。该方法利用模糊控制理论,根据加速踏板开度、加速踏板开度变化率、当前挡位和车速的变化,辨识出加速和滑行过程中驾驶员期望的加(减)速度。根据经验公式,计算出电机输出端的需求功率。基于电机的效率图形、当前挡位和需求功率大小,在满足车辆动力需求的前提下,以电机工作效率的最大化为目标,确定变速器的目标挡位和电机的输出转矩。该方法在保证车辆动力需求的前提下,能使电机工作于理论上的最高效率区,减少整车的电能损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种纯电动汽车的控制方法,尤其涉及电动汽车在加速和滑行过程中变速器挡位和电机转矩的控制方法。
背景技术
纯电动汽车具有零排放、加速快和噪音小等优点,已被确定为新能源汽车的主要应用方向。根据应用目标的不同,电动汽车动力系统可分为多种结构形式,最常用的包括电机加单级变速器结构、电机加两挡变速器结构和电机加多挡(大于等于三挡)变速器结构。与其它两种结构形式相比,在车辆加速过程中,电机加多挡变速器结构通过挡位变化、使车辆具有最大的加速度,提高车辆的加速性能;在城市工况行驶过程中,通过变化挡位、使电机尽可能工作于高效区,提高车辆的经济性;尽管电机加多挡变速器结构相对复杂,但由于其在动力性和经济性方面的优势,该结构也得到了广泛应用,例如美国伊顿公司就推出了电机加六挡电控机械式自动变速器(Automatic manual transmission,AMT)的结构。在电机加多挡变速器结构应用过程中,换挡时刻和电机输出转矩的确定是其难点之一,尤其是车辆经常运行于城市循环工况,车辆需求转矩(功率)和车速变化比较大,在此工况下如何确定合适的挡位和电机转矩、使电机工作于较高效率区,成为当前急需解决的技术问题之一。经过查阅文献,专利(申请号:CN201010152337.6)实现了混合动力汽车的挡位和转矩分配的最优控制,但目前电动汽车的变速器挡位和电机转矩的控制还没有得到很好的解决。
发明内容
为了解决以上问题,根据加速踏板开度、加速踏板开度变化率、当前挡位和车速的变化,基于模糊控制的人工智能方法,预估出电机需求功率的大小。根据电机的效率图和电机输出功率需求,在满足功率需求的前提下,以电机工作效率的最大化为原则,确定合适的挡位和电机输出转矩。
该方法的步骤是:
1)利用模糊控制方法,根据加速踏板开度、加速踏板开度变化率、当前挡位和车速的变化,辨识出加速和滑行过程中驾驶员期望的加(减)速度;根据经验公式,计算出电机输出端的需求功率;
2)根据电机的效率的二维图形、当前挡位和需求功率大小,在满足车辆动力需求的前提下,以电机工作效率的最大化为目标,确定变速器的目标挡位;
3)根据电机输出端的需求功率、目标挡位和车速,确定电机的输出转矩。
所述的利用模糊控制方法,根据加速踏板开度、加速踏板开度变化率、当前挡位和车速的变化,辨识出加速和滑行过程中驾驶员期望的加(减)速度;根据经验公式,计算出电机输出端的需求功率的设计程序如下所示:
1)根据加速踏板开度和加速踏板开度变化率,辨识出驾驶员的加(减)速意图;
将踏板开度分为小、中和大三种,踏板开度变化率分为负、零和正三种;根据踏板开度和开度变化率,推导出驾驶员的加(减)速意图,具体分为减速、匀速(低速)、加速(小)、匀速(中速)、加速(中)、匀速(高速)和加速(大);具体对应的模糊控制规则如表1;通过制定变量的语言集、基本论域和隶属度函数,即可得到驾驶员的加(减)速意图;
表1驾驶员加(减)速意图的规则表
2)根据加(减)速意图、挡位和车速,辨识出驾驶员需求的加(减)速度;
挡位主要以五挡AMT进行说明,其余挡位变速器的确定过程与此相同,将挡位分为1挡、2挡、3挡、4挡和5挡;驾驶员的加(减)速意图分为减速、匀速(低速)、加速(小)、匀速(中速)、加速(中)、匀速(高速)和加速(大);车速分为慢、较慢、一般、较快、快和很快;根据加(减)速意图、挡位和车速,推导出驾驶员期望的加(减)速数值,N1,N2,......,N12,N13和P1,P2,......,P9,P10,其中代码P(N)表示为加(减)速度,P(N)后的数值越大,表示加(减)速度越大;具体对应的模糊控制规则如表2;通过制定变量的语言集、基本论语和隶属度函数,即可得到驾驶员期望的加(减)速度;
表2驾驶员期望的加(减)速度的规则表
3)根据加(减)速度和公式(1),计算出车辆的需求功率P;
公式(1)中P表示功率、单位为kW,ηT为传动系效率,G表示车重、单位是N,f为滚动阻力系数,CD表示风阻系数,A为迎风面积、单位是m2,v表示车速、单位是km/h,δ为旋转质量换算系数,m表示质量、单位是kg,a表示加速度、单位是m/s2。
所述的根据电机的效率的二维图形、当前挡位和需求功率大小,在满足车辆动力需求的前提下,以电机工作效率的最大化为目标,确定变速器的目标挡位的设计程序如下所示:
1)如果当前挡位为1挡,根据实时的需求功率P、车速v、1挡和2挡速比,分别计算出1挡和2挡对应的电机转速n1和n2、电机转矩t1和t2;根据电机效率的二维图形,分别插值出n1和t1、n2和t2对应的效率xl1和xl2;如果xl2大于xl1,并且与上次换挡时刻的间距大于临界时刻tj,车辆目标挡位为2挡,否则目标挡位为1挡;将目标挡位发动给AMT的电子控制单元(Transmissioncontrol unit,TCU);
2)如果当前挡位为2挡,根据实时的需求功率P、车速v、1挡、2挡和3挡速比,分别计算出1挡、2挡和3挡对应的电机转速n1、n2和n3,电机转矩t1、t2和t3;根据电机效率的二维图形,分别插值出n1与t1、n2与t2和n3与t3对应的效率xl1、xl2和xl3,如果n1大于电机最高转速nmax、令xl1等于0;如果xl1大于xl2且xl1大于xl3,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为1挡;如果xl3大于xl1且xl3大于xl2,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为3挡;否则目标挡位为2挡;将目标挡位发动给AMT的TCU;
3)如果当前挡位为3挡,根据实时的需求功率P、车速v、2挡、3挡和4挡速比,分别计算出2挡、3挡和4挡对应的电机转速n2、n3和n4,电机转矩t2、t3和t4;根据电机效率的二维图形,分别插值出n2与t2、n3与t3和n4与t4对应的效率xl2、xl3和xl4,如果n2大于nmax、令xl2等于0;如果xl2大于xl3且xl2大于xl4,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为2挡;如果xl4大于xl2且xl4大于xl3,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为4挡;否则目标挡位为3挡;将目标挡位发动给AMT的TCU;
4)如果当前挡位为4挡,根据实时的需求功率P、车速v、3挡、4挡和5挡速比,分别计算出3挡、4挡和5挡对应的电机转速n3、n4和n5,电机转矩t3、t4和t5;根据电机效率的二维图形,分别插值出n3与t3、n4与t4和n5与t5对应的效率xl3、xl4和xl5,如果n3大于nmax、令xl3等于0;如果xl3大于xl4且xl3大于xl5,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为3挡;如果xl5大于xl3且xl5大于xl4,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为5挡;否则目标挡位为4挡;将目标挡位发动给AMT的TCU;
5)如果当前挡位为5挡,根据实时的需求功率P、车速v、4挡和5挡速比,分别计算出4挡和5挡对应的电机转速n4和n5、电机转矩t4和t5;根据电机效率的二维图形,分别插值出n4和t4、n5和t5对应的效率xl4和xl5,如果n4大于nmax、令xl4等于0;如果xl4大于xl5,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为4挡,否则目标挡位为5挡;将目标挡位发动给AMT的TCU。
所述的根据电机输出端的需求功率、目标挡位和车速,确定出电机的输出转矩的设计程序如下所示:
1)根据公式(1)确定的P、目标挡位及当前车速,利用公式(2),计算出电机的输出转矩;
公式(2)中T表示电机输出转矩大小、单位是Nm,P表示功率、单位为kW,v表示车速、单位是km/h,r表示车轮半径、单位是m,ig(i)表示第i挡速比、该速比包括主减速比、i=1,2,3,4,5;
2)将每一采样时刻计算出的T发送给电机控制器。
本发明的优越功效在于:在电机功率需求预测方面,既利用了智能控制易于模拟人工控制过程的特点,也利用了经验公式计算偏差较小的优点;在挡位和电机转矩决策方面,在保证车辆动力需求的前提下,能使电机工作于理论上的最高效率区,减少整车的电能损耗。
附图说明
图1为电动汽车的变速器挡位和电机转矩的控制方法的设计流程图;
图2表示为加速踏板开度的隶属度函数,VS表示很小,S表示小,M表示中,B表示大;
图3表示为踏板开度变化率的隶属度函数,N表示负,Z表示零,P表示正;
图4表示驾驶员加(减)速意图的隶属度函数,N表示减速,ZS表示匀速(低速),PS表示加速(小),ZM表示匀速(中速),PM表示加速(中),ZB表示匀速(高速),PB表示加速(大);
图5表示挡位的隶属度函数,fir表示1挡,se表示2挡,th表示3挡,fo表示4挡,fif表示5挡;
图6表示车速的隶属度函数,S表示慢,LS表示较慢,M表示一般,LB表示较快,B表示快,VB表示很快;
图7为某一纯电动汽车在加速和滑行过程中加(减)速度和需求功率随加速踏板开度的变化关系,该图包括三个小图,自上而下分别表示踏板开度、加(减)速度和需求功率曲线,三个小图的横坐标均表示时间;
图8为某一纯电动汽车在加速和滑行过程中车速和目标挡位随加速踏板开度的变化关系,该图包括三个小图,自上而下分别表示踏板开度、车速和目标挡位曲线,三个小图的横坐标均表示时间;
图9为某一纯电动汽车在加速和滑行过程中电机转矩指令、电机转速和电机工作效率随加速踏板开度的变化关系,该图包括四个小图,自上而下分别表示踏板开度、电机转速、电机转矩指令和电机工作效率曲线,四个小图的横坐标均表示时间;
图10为整个行驶过程中电机的工作点,标注有92%,......,84%的不规则圆圈表示电机效率图形,由*组成的粗深线表示电机的工作点。
具体实施方式
根据某一PHEV车辆的控制过程,说明该控制方法的实施方式;
请参阅附图所示,对本发明作进一步的描述;
车辆的总质量m=1800kg,空气阻力系数CD=0.34,迎风面积A=2.4m2,车轮滚动半径r=0.299m,传动效率ηT=0.9,滚动阻力系数f=0.015;电机的最大功率为60kW,额定转速和最高转速分别为2500和5500r/min;蓄电池进行了良好匹配,可满足车辆的电量需求;1至5挡的速比分别为3.73,1.96,1.32,0.95和0.76,主减速比为4.19。
具体步骤为:
1)根据加速踏板开度和加速踏板开度变化率,通过制定变量的语言集、基本论域和隶属度函数,获得驾驶员的加(减)速意图;
加速踏板开度语言集为{VS(很小),S(小),M(中),B(大)},论域为{0,1};踏板开度变化率的语言集为{N(负),Z(零),P(正)},论域为{-1.6,1.6};驾驶员意图的语言集为{N(减速),ZS(匀速(低速)),PS(加速(小)),ZM(匀速(中速)),PM(加速(中)),ZB(匀速(高速)),PB(加速(大))},论域为{-0.2,1.2};加速踏板开度、踏板开度变化率和驾驶员加(减)速意图的隶属度函数分别如图2、3和4所示;根据以上确定的各语言集、论域和隶属度函数,采用“mamdani”解模糊控制方法,即可得到驾驶员加(减)速意图。2)根据驾驶员加(减)速意图、挡位和车速,辨识出驾驶员需求的加(减)速度;
驾驶员加(减)速意图的语言集为{N(减速),ZS(匀速(低速)),PS(加速(小)),ZM(匀速(中速)),PM(加速(中)),ZB(匀速(高速)),PB(加速(大))},论域为{-0.2,1.2};挡位的语言集为{fir(1挡),se(2挡),th(3挡),fo(4挡),fif(5挡)},论域为{0,6};车速的语言集为{S(慢),LS(较慢),M(一般),LB(较快),B(快),VB(很快)},论域为{0,120};驾驶员加(减)速意图、挡位和车速的隶属度函数分别如图4、5和6所示;驾驶员需求的加(减)速度辨识过程中,采用“sugeno”解模糊控制方法;驾驶员加(减)速意图、挡位和车速与加(减)速度的对应关系如表3所示,加(减)速度的单位为m/s2;在表3中,加速度处于0~4.93m/s2之间,滑行过程中的最大减速度为-0.2m/s2。
表3加(减)速度的辨识
3)根据实时的加(减)速度大小和公式(1),确定电机实时的功率需求P;
4)根据功率需求P、车速v、当前挡位,确定出目标挡位,步骤如下:
(1)如果当前挡位为1挡,根据实时的需求功率P、车速v、1挡和2挡速比,分别计算出1挡和2挡对应的电机转速n1和n2、电机转矩t1和t2;根据电机效率的二维图形,分别插值出n1和t1、n2和t2对应的效率xl1和xl2;如果xl2大于xl1,并且与上次换挡时刻的间距大于临界时刻tj,车辆目标挡位为2挡,否则目标挡位为1挡;将目标挡位发动给AMT的TCU;
(2)如果当前挡位为2挡,根据实时的需求功率P、车速v、1挡、2挡和3挡速比,分别计算出1挡、2挡和3挡对应的电机转速n1、n2和n3,电机转矩t1、t2和t3;根据电机效率的二维图形,分别插值出n1与t1、n2与t2和n3与t3对应的效率xl1、xl2和xl3,如果n1大于电机最高转速nmax、令xl1等于0;如果xl1大于xl2且xl1大于xl3,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为1挡;如果xl3大于xl1且xl3大于xl2,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为3挡;否则目标挡位为2挡;将目标挡位发动给AMT的TCU;
(3)如果当前挡位为3挡,根据实时的需求功率P、车速v、2挡、3挡和4挡速比,分别计算出2挡、3挡和4挡对应的电机转速n2、n3和n4,电机转矩t2、t3和t4;根据电机效率的二维图形,分别插值出n2与t2、n3与t3和n4与t4对应的效率xl2、xl3和xl4,如果n2大于nmax、令xl2等于0;如果xl2大于xl3且xl2大于xl4,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为2挡;如果xl4大于xl2且xl4大于xl3,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为4挡;否则目标挡位为3挡;将目标挡位发动给AMT的TCU;
(4)如果当前挡位为4挡,根据实时的需求功率P、车速v、3挡、4挡和5挡速比,分别计算出3挡、4挡和5挡对应的电机转速n3、n4和n5,电机转矩t3、t4和t5;根据电机效率的二维图形,分别插值出n3与t3、n4与t4和n5与t5对应的效率xl3、xl4和xl5,如果n3大于nmax、令xl3等于0;如果xl3大于xl4且xl3大于xl5,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为3挡;如果xl5大于xl3且xl5大于xl4,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为5挡;否则目标挡位为4挡;将目标挡位发动给AMT的TCU;
(5)如果当前挡位为5挡,根据实时的需求功率P、车速v、4挡和5挡速比,分别计算出4挡和5挡对应的电机转速n4和n5、电机转矩t4和t5;根据电机效率的二维图形,分别插值出n4和t4、n5和t5对应的效率xl4和xl5,如果n4大于nmax、令xl4等于0;如果xl4大于xl5,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为4挡,否则目标挡位为5挡;将目标挡位发动给AMT的TCU。
5)根据公式(2)确定电机的输出转矩,并发送给电机控制器。
图7、8和9为仿真计算结果。由图7可知,控制方法可根据加速踏板的实时变化,辨识出驾驶员需求的加(减)速度和需求功率;由图8可知,控制方法根据加速踏板的变化,向TCU实时发送合适的挡位;由图9可知,控制方法根据加速踏板的变化,向电机控制器发送合适的转矩指令,整个过程中电机工作效率均大于80%;图10为电机工作区域,由图可知电机工作于较高效率区,验证了控制方法的优点。
Claims (4)
1.一种电动汽车的变速器挡位和电机转矩的控制方法,其特征在于:
该方法的步骤是:
1)利用模糊控制方法,根据加速踏板开度、加速踏板开度变化率、当前挡位和车速的变化,辨识出加速和滑行过程中驾驶员期望的加(减)速度;根据经验公式,计算出电机输出端的需求功率;
2)根据电机的效率的二维图形、当前挡位和需求功率大小,在满足车辆动力需求的前提下,以电机工作效率的最大化为目标,确定变速器的目标挡位;
3)根据电机输出端的需求功率、目标挡位和车速,确定电机的输出转矩。
2.按权利要求1所述的一种电动汽车的变速器挡位和电机转矩的控制方法,其特征在于:
所述的利用模糊控制方法,根据加速踏板开度、加速踏板开度变化率、当前挡位和车速的变化,辨识出加速和滑行过程中驾驶员期望的加(减)速度;根据经验公式,计算出电机输出端的需求功率的设计程序如下所示:
1)根据加速踏板开度和加速踏板开度变化率,辨识出驾驶员的加(减)速意图;
将踏板开度分为小、中和大三种,踏板开度变化率分为负、零和正三种;根据踏板开度和开度变化率,推导出驾驶员的加(减)速意图,具体分为减速、匀速(低速)、加速(小)、匀速(中速)、加速(中)、匀速(高速)和加速(大);具体对应的模糊控制规则如表1;通过制定变量的语言集、基本论域和隶属度函数,即可得到驾驶员的加(减)速意图;
表1驾驶员加(减)速意图的规则表
2)根据加(减)速意图、挡位和车速,辨识出驾驶员需求的加(减)速度;
挡位主要以五挡AMT进行说明,其余挡位变速器的确定过程与此相同,将挡位分为1挡、2挡、3挡、4挡和5挡;驾驶员的加(减)速意图分为减速、匀速(低速)、加速(小)、匀速(中速)、加速(中)、匀速(高速)和加速(大);车速分为慢、较慢、一般、较快、快和很快;根据加(减)速意图、挡位和车速,推导出驾驶员期望的加(减)速数值,N1,N2,......,N12,N13和P1,P2,......,P9,P10,其中代码P(N)表示为加(减)速度,P(N)后的数值越大,表示加(减)速度越大;具体对应的模糊控制规则如表2;通过制定变量的语言集、基本论语和隶属度函数,即可得到驾驶员期望的加(减)速度;
表2驾驶员期望的加(减)速度的规则表
3)根据加(减)速度和公式(1),计算出车辆的需求功率P;
公式(1)中P表示功率、单位为kW,ηT为传动系效率,G表示车重、单位是N,f为滚动阻力系数,CD表示风阻系数,A为迎风面积、单位是m2,v表示车速、单位是km/h,δ为旋转质量换算系数,m表示质量、单位是kg,a表示加速度、单位是m/s2。
3.按权利要求1所述的一种电动汽车的变速器挡位和电机转矩的控制方法,其特征在于:
所述的根据电机的效率的二维图形、当前挡位和需求功率大小,在满足车辆动力需求的前提下,以电机工作效率的最大化为目标,确定变速器的目标挡位的设计程序如下所示:
1)如果当前挡位为1挡,根据实时的需求功率P、车速v、1挡和2挡速比,分别计算出1挡和2挡对应的电机转速n1和n2、电机转矩t1和t2;根据电机效率的二维图形,分别插值出n1和t1、n2和t2对应的效率xl1和xl2;如果xl2大于xl1,并且与上次换挡时刻的间距大于临界时刻tj,车辆目标挡位为2挡,否则目标挡位为1挡;将目标挡位发动给AMT的电子控制单元(Transmissioncontrol unit,TCU);
2)如果当前挡位为2挡,根据实时的需求功率P、车速v、1挡、2挡和3挡速比,分别计算出1挡、2挡和3挡对应的电机转速n1、n2和n3,电机转矩t1、t2和t3;根据电机效率的二维图形,分别插值出n1与t1、n2与t2和n3与t3对应的效率xl1、xl2和xl3,如果n1大于电机最高转速nmax、令xl1等于0;如果xl1大于xl2且xl1大于xl3,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为1挡;如果xl3大于xl1且xl3大于xl2,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为3挡;否则目标挡位为2挡;将目标挡位发动给AMT的TCU;
3)如果当前挡位为3挡,根据实时的需求功率P、车速v、2挡、3挡和4挡速比,分别计算出2挡、3挡和4挡对应的电机转速n2、n3和n4,电机转矩t2、t3和t4;根据电机效率的二维图形,分别插值出n2与t2、n3与t3和n4与t4对应的效率xl2、xl3和xl4,如果n2大于nmax、令xl2等于0;如果xl2大于xl3且xl2大于xl4,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为2挡;如果xl4大于xl2且xl4大于xl3,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为4挡;否则目标挡位为3挡;将目标挡位发动给AMT的TCU;
4)如果当前挡位为4挡,根据实时的需求功率P、车速v、3挡、4挡和5挡速比,分别计算出3挡、4挡和5挡对应的电机转速n3、n4和n5,电机转矩t3、t4和t5;根据电机效率的二维图形,分别插值出n3与t3、n4与t4和n5与t5对应的效率xl3、xl4和xl5,如果n3大于nmax、令xl3等于0;如果xl3大于xl4且xl3大于xl5,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为3挡;如果xl5大于xl3且xl5大于xl4,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为5挡;否则目标挡位为4挡;将目标挡位发动给AMT的TCU;
5)如果当前挡位为5挡,根据实时的需求功率P、车速v、4挡和5挡速比,分别计算出4挡和5挡对应的电机转速n4和n5、电机转矩t4和t5;根据电机效率的二维图形,分别插值出n4和t4、n5和t5对应的效率xl4和xl5,如果n4大于nmax、令xl4等于0;如果xl4大于xl5,并且与上次换挡时刻的间距大于tj,车辆目标挡位为4挡,否则目标挡位为5挡;将目标挡位发动给AMT的TCU。
4.按权利要求1所述的一种电动汽车的变速器挡位和电机转矩的控制方法,其特征在于:
所述的根据电机输出端的需求功率、目标挡位和车速,确定出电机的输出转矩的设计程序如下所示:
1)根据公式(1)确定的P、目标挡位及当前车速,利用公式(2),计算出电机的输出转矩;
公式(2)中T表示电机输出转矩大小、单位是Nm,P表示功率、单位为kW,v表示车速、单位是km/h,r表示车轮半径、单位是m,ig(i)表示第i挡速比、该速比包括主减速比、i=1,2,3,4,5;
2)将每一采样时刻计算出的T发送给电机控制器。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20111214 |