CN106828191A - 双电机非对称动力分配效率优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电机非对称动力分配效率优化方法，解决了现有技术中单电机直驱方案不能兼顾低速和高速效率的技术问题。该方法具体为：设置两组驱动效率不等的电机组成一个动力组，分别为第一电机和第二电机，所述电机并联对外输出转矩，获得两组电机各自的效率值，在所述动力组有不同的输出转矩需求时，通过优化计算在两组电机之间分配转矩，得到所述动力组最高效率值。本发明利用不同效率特性电机并联驱动，实现在不同转速、转矩区域下驱动效率的最优化，并提高了电机在高速区域的驱动功率，使得电驱动系统的总体效率和性能得以提高。

Description

双电机非对称动力分配效率优化方法及系统

技术领域

本发明涉及一种双电机非对称动力分配效率优化方法，用于汽车电驱动。本发明还涉及一种双电机非对称动力分配效率优化系统。

背景技术

永磁同步电机以其高效率、高功率因数和高功率密度等优点，正逐渐成为新能源汽车纯电驱动的主流电机。永磁同步电机在纯电驱动汽车上的应用，主要有直接驱动、带变速器驱动和带减速器驱动几种形式。

直接驱动方案中，电机输出法兰直接连接传动轴，该方案的特点是传动直接，高效，其缺点是为了满足车辆最大爬坡度，电机最大转矩较大。电机的最大转矩通常和电机的体积成正比，因此在电机最大转矩较大时，所需的材料成本较高。

电机+变速器驱动方案的优点是变速器将大大扩展动力系统的转速和转矩范围，实现较高的爬坡度和较高的最高转速；变速器可以在一定程度上把电机的工况点尽量放在电机的高效区域，有助于提高电机的效率–但是，由于已经高度优化的永磁同步电机的高效区域非常宽广，而且高效和低效之间的效率差不大，变速器的效率优化效果远远低于对感应异步电机的优化效果(更低于对内燃机的优化效果)。电机+变速器的缺点是变速器的传动损耗会降低整个系统的效率，通常多档变速箱的效率在90％到95％之间，变速箱的造成系统效率的损失，甚至会多于变速器能带来的效率改善，导致车辆单位里程电耗的增加。

电机+减速器驱动的方案的优点是通过减速器的减转速增转矩功能，增加动力系统的输出转矩。该方案主要应用于乘用车，其优点是可以减小电机体积，有效降低电机的成本，减速器的效率通常可以做到97％-98％，缺点是电机的体积减小以后，散热能力会相应降低，从而限制了电机的最大连续工作转矩。应用于重载商用车时，电机的持续功率难以满足持续重载的要求。

综上所述，在重载商用车中，直驱方案仍然是最常见，效率最高的方案。由于重载商用车对电机转矩需求较高，单电机直驱方案往往不能兼顾低速和高速的效率，而且当电机转速超过拐点以后，随着电机转速的增加，输出转矩和功率会快速下降，影响车辆在高速的驱动能力。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种双电机非对称动力分配效率优化方法，利用不同效率特性电机并联驱动，实现在不同转速、转矩区域下驱动效率的最优化，并提高了电机在高速区域的驱动功率，使得电驱动系统的总体效率和性能得以提高。

本发明同时还提供了一种双电机非对称动力分配效率优化系统。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

双电机非对称动力分配效率优化方法，设置两组驱动效率不等的电机组成一个动力组，分别为第一电机和第二电机，所述电机并联对外输出转矩，获得两组电机各自的效率值，在所述动力组有不同的输出转矩需求时，通过优化计算在两组电机之间分配转矩，得到所述动力组最高效率值。

进一步，所述第一电机转矩偏大，效率高效区位于低速区，所述第二电机转矩偏小，效率高效区位于高速区。

进一步，所述优化计算方法包括以下步骤：

步骤1.在离线状态下进行仿真优化，采用扫描计算方法，对所述动力组允许的转矩/转速范围内，划分若干网格点，对每个网格点所对应的需求转矩T_d和转速ω，求解最优的分配比例x，使得第一电机的转矩为：

T_m1＝T_d·x

第二电机的转矩为：

T_m2＝T_d·(1-x)

步骤2.第一电机和第二电机的效率分别表示为：

η₁＝f₁(T,ω)，η₂＝f₂(T,ω)

则所述动力组系统效率η_dual表示为：

每个转矩需求和转速点数值求解方法为：x在0到1之间的区间划分若干区间，列举x从0到1之间的的所有点；

求解使得所述动力组系统效率最高的x_i，并记录该点的最高系统效率η_i，制作成为需求转矩T_d和转速ω的数据库，最优分配比例和最高效率表示为T_d和ω的函数：

x^*＝f_x(T_d,ω)

η^*＝f_η(T_d,ω)

步骤3.采用数值计算求解以后，即可得到不同转矩需求和转速下最高的转矩分配数据库。

进一步，所述x在0到1之间均匀划分20个区间，x从0到1之间的的所有点分别为：

x₁＝0，x₂＝0.05，……，x₂₀＝1。

进一步，根据所述转矩分配数据库对所述第一电机和第二电机在线进行转矩分配。

进一步，所述电机不同的效率特性由电机本身实现，或者由不同的减速比实现。

双电机非对称动力分配效率优化系统，设置两组驱动效率不等的电机组成一个动力组，分别为第一电机和第二电机，所述电机并联对外输出转矩，所述系统设置有主控制器，所述主控制器中设置有权利要求3-5任一项所述的转矩分配数据库，根据所述转矩分配数据库所述主控制器在两组电机之间分配转矩，得到所述动力组最高效率值。

进一步，所述第一电机和第二电机分别设置有从控制器，所述主控制器控制所述从控制器实现不同电机的动力分配。

进一步，所述第一电机最大转矩为2100Nm，第二电机最大转矩为900Nm；或者，所述第一电机最大转矩为2800Nm，第二电机最大转矩为2000Nm。

进一步，所述电机采用永磁同步电机。

采用上述技术方案的本发明具有以下优点：

本发明采用双电机并联驱动，可以有效改善单电机驱动在高速工况下输出能力不足的问题，扩展动力系统的高效驱动范围，提高系统在多变的工况条件下的效率。

双电机系统可以由高转矩电机和低转矩电机两个电机构成，高转矩电机在低速区的效率和功率较高，随着转速升高，转速超过功率拐点以后，功率会逐步下降，效率也会逐步降低。低转矩电机在高速区效率和功率较高，但在低速区的效率比较低。利用两个电机的非对称特性，采用优化计算方法求解两个电机的效率，可以实现比单电机更优的驱动效率和驱动功率。

附图说明

图1是3000Nm单电机驱动系统效率MAP；

图2是本发明转矩优化分配的流程图；

图3是本发明转矩优化分配的流程图；

图4是本发明双电机系统中900Nm电机驱动效率MAP；

图5是本发明双电机系统中2100Nm电机驱动效率MAP；

图6是本发明双电机系统中900Nm电机的优化分配转矩图；

图7是本发明双电机系统中2100Nm电机的优化分配转矩图；

图8是本发明3000Nm双电机系统驱动效率MAP；

图9是本发明双电机系统和现有技术单电机系统功率外特性对比图；

图10是本发明双电机系统中2000Nm电机驱动效率MAP；

图11是本发明双电机系统中2800Nm电机驱动效率MAP；

图12是本发明4800Nm双电机系统驱动效率MAP。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

双电机非对称动力分配效率优化方法，设置两组驱动效率不等的电机组成一个动力组，分别为第一电机和第二电机，这两组电机并联对外输出转矩，获得两组电机各自的效率值，在动力组有不同的输出转矩需求时，通过优化计算在两组电机之间分配转矩，得到动力组最高效率值。

第一电机转矩偏大，效率高效区位于低速区，第二电机转矩偏小，效率高效区位于高速区，如图4、图5所示。电机驱动效率MAP中包含了多个效率参数，受到附图尺寸限制，在低效率参数处数字是叠加的，但是不影响对电机驱动效率MAP的查看，只关注高效率参数即可。

优化计算方法包括以下步骤：

步骤1.在离线状态下进行仿真优化，采用扫描计算方法(通过计算机实现扫描)，对动力组允许的转矩/转速范围内，划分若干网格点，对每个网格点所对应的需求转矩T_d和转速ω，求解最优的分配比例x，使得第一电机的转矩为：

T_m1＝T_d·x

第二电机的转矩为：

T_m2＝T_d·(1-x)

步骤2.第一电机和第二电机的效率分别表示为：

η₁＝f₁(T,ω)，η₂＝f₂(T,ω)，该效率具体数值是从相应电机效率MAP中查表获取。

则所述动力组系统效率η_dual表示为：

每个转矩需求和转速点数值求解方法为：x在0到1之间的区间划分20个区间(也可以划分多于20个空间，例如30个空间，40个空间，空间越多精确度越高，但是处理计算难度也越大)，列举x从0到1之间的的所有点，

x₁＝0，x₂＝0.05，……，x₂₀＝1

求解使得动力组系统效率最高的x_i，并记录该点的最高系统效率η_i，制作成为需求转矩T_d和转速ω的数据库，最优分配比例和最高效率表示为T_d和ω的函数：

x^*＝f_x(T_d,ω)

η^*＝f_η(T_d,ω)

步骤3.采用数值计算求解以后，即可得到不同转矩需求和转速下最高的转矩分配数据库。不同转矩需求和转速下最高的转矩分配可以制作成二维表格，如图6、图7所示。

根据转矩分配数据库对所述第一电机和第二电机在线进行转矩分配。

电机不同的效率特性由电机本身实现，或者由不同的减速比实现。

双电机系统中，由于需要两个动力源配合工作，需要将整车的转矩指令优化分配给两个电机，以实现最高的系统控制效率。转矩优化分配的流程如图2、图3所示。

画出双电机系统优化后的曲线，如图8所示，与单电机系统相比，其中高转速区间的转矩更高，高效率区域的范围更广。

在实时控制中，需要将优化的分配MAP存储到控制器中，电机控制器分为主控制器和从控制器，主控制器接到整车需求转矩指令后，根据转矩分配MAP查表，分别得出两个电机的转矩。

图9是单电机和双电机的功率外特性对比，可见，单电机在峰值功率点能取得比双电机更大的功率，但由于电机特性限值，转速过了拐点以后，电机功率迅速下降。相比之下，双电机在中高速区间的驱动能力更强，更能满足大型商用车在中高车速的驱动需求。更适用于重载城市公交，也非常适用于公路客车(采用小速比桥)，电机系统驱动平均驱动效率，平均制动效率都要优于单电机系统。在中国城市典型公交工况运行下，双电机系统相对于单电机系统经济性提高4.76％，如下表所示。

	工况循环净能量消耗	工况能量转化效率	所需电磁总能量	节约电能％
					普通电机	100	84％	119.0
高效双电机	100	88％	113.6	4.761905

实施例2

在该实施例中，双电机非对称动力分配效率优化系统，设置两组驱动效率不等的电机组成一个动力组，分别为第一电机和第二电机，这两组电机并联对外输出转矩，该系统设置有主控制器，主控制器中设置有实施例1中所述的转矩分配数据库，根据转矩分配数据库主控制器在两组电机之间分配转矩，得到所述动力组最高效率值。

第一电机和第二电机分别设置有从控制器，主控制器控制从控制器实现不同电机的动力分配。

第一电机最大转矩为2100Nm，第二电机最大转矩为900Nm。

上述电机采用永磁同步电机。

如图4所示是本实施例中双电机系统中900Nm电机驱动效率MAP；如图5所示是本实施例中双电机系统中2100Nm电机驱动效率MAP。

如图6所示是本实施例中双电机系统中900Nm电机的优化分配转矩图；如图7所示是本实施例中双电机系统中2100Nm电机的优化分配转矩图。

如图8所示是本实施例中3000Nm双电机系统驱动效率MAP，如图9所示是本本实施例中双电机系统和现有技术单电机系统功率外特性对比图。

将3000Nm的单一电机分成900Nm和2100Nm的双电机，电机的总转矩仍然是3000Nm，但电机在高速区间的转矩/功率输出能力得到了较大的提升，如图9所示，在1500rpm到3000rpm区间，双电机的最大输出功率比单电机高出50kW，改善了整车在中高速段，或坡道上的动力性。

实施例3

在该实施例中，第一电机和第二电机的转矩还可以采用其他参数，例如，第一电机最大转矩为2800Nm，第二电机最大转矩为2000Nm。

如图10所示是本实施例中双电机系统中2000Nm电机驱动效率MAP；如图11所示是本实施例中双电机系统中2800Nm电机驱动效率MAP；如图12所示是本实施例中4800Nm双电机系统驱动效率MAP。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.双电机非对称动力分配效率优化方法，其特征在于，设置两组驱动效率不等的电机组成一个动力组，分别为第一电机和第二电机，所述电机并联对外输出转矩，获得两组电机各自的效率值，在所述动力组有不同的输出转矩需求时，通过优化计算在两组电机之间分配转矩，得到所述动力组最高效率值。

2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述第一电机转矩偏大，效率高效区位于低速区，所述第二电机转矩偏小，效率高效区位于高速区。

3.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述优化计算方法包括以下步骤：

步骤1.在离线状态下进行仿真优化，采用扫描计算方法，对所述动力组允许的转矩/转速范围内，划分若干网格点，对每个网格点所对应的需求转矩T_d和转速ω，求解最优的分配比例x，使得第一电机的转矩为：

T_m1＝T_d·x

第二电机的转矩为：

T_m2＝T_d·(1-x)

步骤2.第一电机和第二电机的效率分别表示为：

η₁＝f₁(T,ω)，η₂＝f₂(T,ω)

则所述动力组系统效率η_dual表示为：

${\mathrm{\η}}_{dual}=\frac{T_d}{T_d\·x/{\mathrm{\η}}_1+T_d\·(1-x)/{\mathrm{\η}}_2}=\frac{1}{x/f_1(T_{d}x,\mathrm{\ω})+(1-x)/f_2\left(T_d\right(1-x),\mathrm{\ω})}$

每个转矩需求和转速点数值求解方法为：x在0到1之间的区间划分若干区间，列举x从0到1之间的的所有点；

求解使得所述动力组系统效率最高的x_i，并记录该点的最高系统效率η_i，制作成为需求转矩T_d和转速ω的数据库，最优分配比例和最高效率表示为T_d和ω的函数：

x^*＝f_x(T_d,ω)

η^*＝f_η(T_d,ω)

步骤3.采用数值计算求解以后，即可得到不同转矩需求和转速下最高的转矩分配数据库。

4.根据权利要求3所述的优化方法，其特征在于，所述x在0到1之间均匀划分20个区间，x从0到1之间的的所有点分别为：

x₁＝0，x₂＝0.05，……，x₂₀＝1。

5.根据权利要求3所述的优化方法，其特征在于，根据所述转矩分配数据库对所述第一电机和第二电机在线进行转矩分配。

6.根据权利要求1所述的优化系统，其特征在于，所述电机不同的效率特性由电机本身实现，或者由不同的减速比实现。

7.双电机非对称动力分配效率优化系统，其特征在于，设置两组驱动效率不等的电机组成一个动力组，分别为第一电机和第二电机，所述电机并联对外输出转矩，所述系统设置有主控制器，所述主控制器中设置有权利要求3-5任一项所述的转矩分配数据库，根据所述转矩分配数据库所述主控制器在两组电机之间分配转矩，得到所述动力组最高效率值。

8.根据权利要求7所述的优化系统，其特征在于，所述第一电机和第二电机分别设置有从控制器，所述主控制器控制所述从控制器实现不同电机的动力分配。

9.根据权利要求7所述的优化系统，其特征在于，所述第一电机最大转矩为2100Nm，第二电机最大转矩为900Nm；或者，所述第一电机最大转矩为2800Nm，第二电机最大转矩为2000Nm。

10.根据权利要求7所述的优化系统，其特征在于，所述电机采用永磁同步电机。