CN103273857B - 一种主从式多电机驱动系统的效率优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电动机控制领域，提供了一种主从式多电机驱动系统的效率优化方法，包括：主电机单独驱动的步骤，从电机单独驱动的步骤，和双电机协同驱动的步骤。双电机协同驱动时效率优化的原理是，通过改变两电机的分配比，求出多电机驱动系统瞬时功率损耗最小时对应的分配比，从而求出主从电机在效率最优时的转矩和转速。本发明所述的效率优化方法可以根据车辆行驶的不同工况，实时地对两电机的输出功率进行优化和分配，充分发挥不同电机的综合优势，使整车的效率一直处于最优，从而有效延长电动车辆续驶里程，提高经济性和动力性。

Description

一种主从式多电机驱动系统的效率优化方法

技术领域

本发明属于电动机控制领域，具体涉及一种主从式多电机驱动系统的效率优化方法，用于提高整车效率，延长电动车辆续驶里程。

背景技术

电动车辆运行性能主要决定于电机驱动系统的类型和性能。电动车辆驱动系统一般由牵引电机、控制系统、机械减速及传动装置、车轮等构成。电动车辆可由单个电机独立驱动，也可由多个电机共同驱动。

电动车辆在启动和爬坡时需要较大的功率，在匀速行驶时需要较小的功率，车辆在行驶过程中其功率必然发生变化，而电机只有在其输出功率为额定功率的0.7～1.1倍时，才有较高的效率。因此，相对于单一电机，多电机驱动系统可以根据不同的行驶工况，选择不同的驱动方式，进而提高整车效率。

现有的多电机驱动技术多使用n个相同功率大小的电机，其中每个电机的额定功率为车辆所需总功率的1/n，不能根据车辆的常用行驶工况对每个电机的额定功率大小进行分配；其次，现有的多电机驱动技术主要是基于车辆动力学对其进行动力学方面的研究，并没有针对电机的具体工作点而进行效率优化。

发明内容

为了解决电动车电机驱动系统在整个行驶过程中综合效率较低的问题，本发明提供了一种充分发挥不同功率电机工作效率优势的多电机驱动系统的效率优化方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种主从式多电机驱动系统的效率优化方法，包括主电机、从电机、离合器、联轴器、齿轮减速机构和电机控制系统。其中，主电机、离合器、联轴器和齿轮减速机构的动力输入端1固定安装在一起；从电机、离合器、联轴器和齿轮减速机构的动力输入端2固定安装在一起；两电机经齿轮减速机构减速增扭后，将动力由输出端输出至后轮；电机控制系统包括：主、从电机驱动器，主、从电机转速传感器，和效率优化控制器。效率优化控制器从整车控制器和传感器获得车辆的行驶速度和需要的转矩，通过效率优化算法得到主、从电机的转速和转矩，并将转速和转矩指令信号送至主、从电机驱动器。主、从电机转速传感器输出的电机转速信号反馈到效率优化控制器，形成速度闭环控制。本发明的特征在于，所述的效率优化方法依次包括以下步骤：

步骤一，主电机单独驱动：当车辆处于起步工况时，效率优化控制器只输出主电机的转速和转矩指令给主电机驱动器，同时使离合器1接合，离合器2断开，此时只有主电机单独工作。在满足车辆动力学的要求下，发挥了大功率电机的低速输出较大平稳转矩、爬坡加速性能好的优点。

步骤二，从电机单独驱动：当车辆处于城市道路工况等中低速或需求小功率工况时，效率优化控制器只输出从电机的转速和转矩指令给从电机驱动器，同时使离合器2接合，离合器1断开，此时只有从电机单独工作。此时主电机不工作，避免了大功率电机在低速时效率低的缺点，同时从电机工作在高效区，提高了整车的效率。

步骤三，双电机协同驱动：当车辆处于爬坡、急加速或高速等需求大功率工况时，主电机和从电机协同工作，效率优化方法如下：

（1）从整车控制器和速度传感器输入电机所需的转速ω_r和转矩T_r至效率优化控制器。

（2）在（0，1）内按固定步长改变两电机的分配比i，i的定义如下：

i＝T_m/T_r

其中，T_r为车辆行驶需求转矩，T_m为主电机输出转矩。

当i=0时表示从电机单独工作；i=1时表示主电机单独工作；i在0～1之间表示主电机和从电机协同工作。

（3）求对应每个i的主、从电机的转矩和转速，方法如下：

T_m＝iT_r      （1）

T_s＝(1-i)T_r  （2）

ω_m=i_mω_r    （3）

ω_s=i_sω_r    （4）

其中，ω_r为车辆需求转速，T_s为从电机需求转矩，ω_m为主电机转速，ω_s为从电机转速，i_m为主电机与车轮的速度比，i_s为从电机与车轮的速度比。

（4）求主、从电机的效率η_m和η_s，η_m为主电机在转速和转矩分别为ω_m和T_m时的效率，η_s为从电机在转速和转矩分别为ω_s和T_s时的效率。方法如下：

事先将厂家提供的主、从电机的Map图存入存贮器制成电子表格，根据主、从电机的转矩和转速数据查表，并进行插值计算即可得到主、从电机效率η_m和η_s。

（5）按下式求多电机系统的瞬时功率损耗P：

$P=\frac{{\mathrm{\ω}}_m{T}_m}{{\mathrm{\η}}_m}+\frac{{\mathrm{\ω}}_s{T}_s}{{\mathrm{\η}}_s}-{\mathrm{\ω}}_r{T}_r$

（6）求效率最优时的主、从电机的转矩和转速，方法如下：

先求多电机系统的瞬时功率损耗达到最小P_min时的i值，然后根据（1）～（4）式分别求主、从电机的转矩和转速。

（7）输出主、从电机所需转矩和转速数据，并将指令发送给主、从电机驱动器，使离合器1和离合器2均接合，使主、从电机协同工作。

此时，两电机均工作在各自的高效区，使得整车的效率最优。

本发明的有益效果：本发明所述的效率优化方法可以根据车辆行驶的不同工况，实时地对两电机的输出功率进行优化和分配，充分发挥不同电机的综合优势，使整车的效率一直处于最优，从而有效延长电动车辆续驶里程，提高经济性和动力性。

附图说明

图1为电机控制系统组成框图，图中：1—后轮，2—齿轮减速机构（减速器），3—减速器输入轴1，4—减速器输入轴2，5—主电机，6—从电机，7—离合器1，8—离合器2，9—联轴器1，10—联轴器2；

图2为电机控制系统组成框图；

图3为主从电机协同工作时效率优化方法流程图；

图4为主电机的效率Map图；

图5为从电机的效率Map图；

图6为多电机系统合成的效率优化Map图；

图7为多电机系统转矩优化分配比示意图。

具体实施方式

下面根据附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

图1是本发明所涉及的主从式多电机驱动系统组成框图，包括：主电机（5），从电机（6），齿轮减速机构（2），离合器1（7），离合器2（8），联轴器1（9），联轴器2（10），和电机控制系统。

所述主电机（5）为大功率电机，从电机（6）为小功率电机，主电机（5）、离合器1（7）、联轴器1（9）和齿轮减速机构的动力输入端1（3）固定安装在一起；从电机（6）、离合器2（8）、联轴器和齿轮减速机构的动力输入端2（4）固定安装在一起；两电机经齿轮减速机构减速增扭后，将动力由输出端输出至后轮（1）。

电机控制系统组成框图如图2所示，包括：主、从电机驱动器，主、从电机转速传感器，和效率优化控制器。

本发明的特征在于，所述的效率优化方法依次包括以下步骤：

主电机单独驱动的步骤；

从电机单独驱动的步骤；

双电机协同驱动的步骤，方法如图3所示，具体包括以下步骤：

（1）输入电机所需的转速ω_r和转矩T_r；

（2）在（0，1）内按Δi=0.01步长改变两电机分配比i；

（3）求对应每个i值的主从电机的转矩T_m、T_s和转速ω_m、ω_s；

（4）通过主从电机的Map图查表插值求主从电机的效率η_m和η_s；

（5）求多电机系统的瞬时功率损耗P；

（6）求多电机系统瞬时功率损耗最小时的主从电机的转矩和转速；

（7）将主从电机所需转矩和转速的数据及指令送至主、从电机驱动器。

计算每一需求转速和转矩（ω_r，T_r）对应的分配比i下的系统综合效率η，计算公式如下：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\ω}}_r{T}_r}{{\mathrm{\ω}}_r{T}_r+P_{\min }}$

根据计算结果，绘制多电机综合效率Map图，如图6所示。

根据主电机的效率Map图（如图4所示）和从电机的效率Map图（如图5所示），在两电机允许的转速和转矩范围内，对每一不同转速和转矩进行分配，得到瞬时分配比，进而得到多电机系统转矩分配比示意图，如图7所示。

综合分析如图4、图5与图6，与单电机效率Map图相比，合成的多电机效率Map图的高效区范围扩大，多电机系统效率提高，从而使整车的效率最优，有效延长电动车辆续驶里程，提高经济性和动力性。

Claims (3)

1.一种主从式多电机驱动系统的效率优化方法，包括：主电机(5)，从电机(6)，齿轮减速机构(2)，离合器1(7)，离合器2(8)，联轴器1(9)，联轴器2(10)，电机控制系统；所述主电机(5)为大功率电机，从电机(6)为小功率电机，主电机(5)、离合器1(7)、联轴器1(9)和齿轮减速机构的动力输入端1(3)固定安装在一起；从电机(6)、离合器2(8)、联轴器2(10)和齿轮减速机构的动力输入端2(4)固定安装在一起；两电机经齿轮减速机构减速增扭后，将动力由输出端输出至后轮(1)；电机控制系统包括：主、从电机驱动器，主、从电机转速传感器，和效率优化控制器；其特征在于，所述效率优化方法在效率优化控制器中运行，依次包括以下步骤：

步骤一，主电机单独驱动：当车辆处于起步工况时，效率优化控制器只输出主电机(5)的转速和转矩指令给主电机驱动器，同时使离合器1(7)接合，离合器2(8)断开，此时只有主电机(5)单独工作；

步骤二，从电机单独驱动：当车辆处于城市道路工况这类中低速或需求小功率工况时，效率优化控制器只输出从电机(6)的转速和转矩指令至从电机驱动器，同时使离合器2(8)接合，离合器1(7)断开，此时只有从电机(6)单独工作；此时主电机(5)不工作；

步骤三，双电机协同驱动：当车辆处于爬坡、急加速或高速需求大功率工况时，主电机(5)和从电机(6)协同工作，效率优化方法如下：

(1)从整车控制器和速度传感器输入电机所需的转速ω_r和转矩T_r至效率优化控制器；

(2)在(0，1)内按固定步长改变两电机的分配比i，i的定义如下：

i＝T_m/T_r

其中，T_r为车辆行驶需求转矩，T_m为主电机输出转矩；

当i＝0时表示从电机单独工作，i＝1时表示主电机单独工作，i在0～1时表示主电机和从电机协同工作；

(3)求对应每个i的主、从电机的转矩和转速，计算公式如下：

T_m＝iT_r                     (¹)

T_s＝(1-i)T_r                    (2)

ω_m＝i_mω_r                   (3)

ω_s＝i_sω_r                   (4)

其中，ω_r为车辆需求转速，T_s为从电机需求转矩，ω_m为主电机转速，ω_s为从电机转速，i_m为主电机与车轮的速度比，i_s为从电机与车轮的速度比；

(4)求主、从电机的效率η_m和η_s；

η_m为主电机在转速和转矩分别为ω_m和T_m时的效率，η_s为从电机在转速和转矩分别为ω_s和T_s时的效率；

(5)求多电机系统的瞬时功率损耗P；

(6)求效率最优时的主、从电机的转矩和转速，方法如下：

先求多电机系统的瞬时功率损耗达到最小P_min时的i值，然后根据(1)～(4)式分别求主、从电机的转矩和转速；

(7)输出主、从电机所需转矩和转速数据，并将指令发送给主、从电机驱动器，使离合器1和离合器2均接合，使主、从电机协同工作。

2.根据权利要求1所述的一种主从式多电机驱动系统的效率优化方法，其特征在于，步骤三中求主、从电机效率η_m和η_s的方法是：事先将厂家提供的主、从电机的Map图存入存贮器制成电子表格，根据主、从电机的转矩和转速数据查表，并进行插值计算即可得到主、从电机效率η_m和η_s。

3.根据权利要求1所述的一种主从式多电机驱动系统的效率优化方法，其特征在于，步骤三中求多电机系统的瞬时功率损耗P的方法如下：

$P=\frac{{\mathrm{\ω}}_m{T}_m}{{\mathrm{\η}}_m}+\frac{{\mathrm{\ω}}_s{T}_s}{{\mathrm{\η}}_s}-{\mathrm{\ω}}_r{T}_r.$