CN108544913B - 三电机传动结构纯电动汽车及其转矩分配优化算法 - Google Patents

三电机传动结构纯电动汽车及其转矩分配优化算法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及新能源汽车领域，具体公开了一种三电机传动结构纯电动汽车，包括一个前轴驱动电机和两个型号相同的后轮驱动电机，两个后轮驱动电机为左后轮驱动电机及右后轮驱动电机；其中前轴驱动电机与电动汽车前轴连接，左后轮驱动电机安装在电动汽车左后轮的轮毂上，右后轮驱动电机安装在电动汽车右后轮轮毂上；两个后轮驱动电机的尺寸、峰值转矩和功率均小于前轴驱动电机；前轴驱动电机的输出端连接有离合器，三个驱动电机为电动汽车提供转矩，所述离合器在断开时转矩平均分配给两个后轮驱动电机，所述离合器在需求转矩达到预定值时接合，转矩按预设分配算法分配给三个驱动电机。本发明还公开了一种三电机传动结构纯电动汽车的转矩分配优化算法。

Description

三电机传动结构纯电动汽车及其转矩分配优化算法
技术领域
本发明涉及新能源汽车领域，具体涉及一种三电机传动结构纯电动汽车及其转矩分配优化算法。
背景技术
纯电动汽车已经逐步成为世界范围内大力发展的对象，纯电动汽车不仅有零排放无污染的优点，且其行驶过程中噪声低、振动弱，驾驶舒适性好。
纯电动汽车的参数匹配是设计纯电动汽车传动系结构的重要内容，现有的纯电动汽车大多采用一个电机或两个电机分别前后布置的传动系结构，如特斯拉的Model S，国内的蔚来、小鹏汽车等。对于单电机布置的电动汽车来说，其结构简单，不需要复杂的控制算法，因此成本较低，但是电机工作效率较低，工作时无法避免电机低效率区域，对于复杂工况由于峰值扭矩无法满足造成动力性不足的隐患，而且即使在制动能量回收时，回收能量过程同样无法有效利用制动能量，且对续航里程造成影响。而双电机的布置，可以有效解决单电机结构中动力性不足与制动能量回收困难的问题，一般双电机布置会采用两个大小相同的电机分别布置在前后轴上，此构型由于两个较大的电机成本较大，造成整车成本的提高。
对于多电机布置的纯电动汽车构型，如何将需求转矩分配给各个电机是一个不可避免的问题，对于双电机而言，有学者通过将需求转矩平均分配给两个电机，此种算法对于高转矩需求时有较好的效果，可以避免在高负荷时电机工作在低效率区域，但是在低转矩需求时，两个电机的工作效率会下降，有学者通过在一个电机后添加离合器，在低转矩区域通过一个电机工作来提高工作效率。目前针对多电机转矩分配问题，可以将其视为一个多目标优化过程，因此可以用优化算法来求解。目前对于多目标控制优化问题，有较多控制算法，如模型预测控制算法，动态规划算法等。
发明内容
本发明为了提高电动车传动系统的效率和合理分配需求转矩，提供一种三电机传动结构纯电动汽车及其转矩分配优化算法。
为了达到上述目的，本发明的一方面，提供一种三电机传动结构纯电动汽车，包括一个前轴驱动电机和两个型号相同的后轮驱动电机，两个后轮驱动电机为左后轮驱动电机及右后轮驱动电机；其中前轴驱动电机与电动汽车前轴连接，左后轮驱动电机安装在电动汽车左后轮的轮毂上，右后轮驱动电机安装在电动汽车右后轮轮毂上；两个后轮驱动电机的尺寸、峰值转矩和功率均小于前轴驱动电机；前轴驱动电机的输出端连接有离合器，三个驱动电机为电动汽车提供转矩，所述离合器在断开时转矩平均分配给两个后轮驱动电机，所述离合器在需求转矩达到预定值时接合，转矩按预设分配算法分配给三个驱动电机。
本发明的另一方面，提供一种三电机传动结构纯电动汽车的转矩分配优化算法，包括如下步骤：
S1：根据汽车行驶速度和整车参数，计算出汽车纵向动力学模型：
S2:根据汽车行驶速度计算出汽车的需求转矩和需求功率，其中前轴驱动电机的峰值转矩和功率要大于总转矩和功率需求的一半，同时选择两个后轮驱动电机的性能相同；
Pdem＝Fdem*vveh
Tdem＝Fdem*rw
PEM2，max＝PEM3，max
TEM2，max＝TEM3，max
其中Pdem为汽车行驶过程中转矩需求，Fdem为需求驱动力，vveh为汽车行驶速度，rw为汽车车轮半径，PEM2，max，PEM3，max分别为电机2、电机3的最大输出功率，TEM2，max，TEM3，max分别为电机2和电机3的最大输出转矩。
S3：根据步骤S2中的需求转矩和需求功率，首先确定离合器的工作状态，通过凸优化的方法，然后选择合适的转矩分配方法。
进一步，步骤S1包括以下算法：
其中Fdem为汽车行驶时的需求驱动力，cair为汽车行驶时的空气阻力系数，Afront为行驶时汽车的迎风面积，ρair为空气密度，vveh为汽车的行驶速度，mveh为汽车行驶时的总质量，g为汽车所在地的重力加速度，croll为滚动阻力系数，β为汽车所在道路的坡度，αveh为汽车行驶加速度。
进一步，步骤S3包含以下步骤：
S31：当离合器处于断开状态时，需求转矩由两个后轮驱动电机提供，转矩按平均分配算法施行，前轴驱动电机处于不工作状态；
S32：当离合器处于接合状态时，需求转矩由三个电机同时提供，转矩按最优分配，通过凸优化算法实施；
S33：根据步骤S32要求，凸优化算法的使用需要对电机模型进行凸化处理，其符合电机在额定功率下的的工作效率，其步骤如下：
其中PEMloss为电机的损失功率，aj(j＝1，2，3)为功率损失的系数，是电机转速的函数。
本发明的有益效果在于：1、选择三电机布置，可以解决单电机布置造成电机工作效率低的缺点；
2、三电机布置中，只有一个相对来说大尺寸的前轴驱动电机，而两个尺寸极小的后轮驱动电机，不仅节省了汽车传动系所占空间，也节约了电动汽车成本；
3、本发明提供了在汽车行驶过程中，通过离合器状态不同，在平均分配方法和预设分配算法两种转矩分配方法之间切换，提高了能量利用效率，节约汽车运行成本；
4、在前轴驱动电机输出轴安装一个离合器，可以有效避免前轴驱动电机工作在低效率区域，同时使得两个后轮驱动电机工作在高效率区域。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明实施例所述的电动车传动系模型；
图2为本发明实施例所述的前轴驱动电机效率图；
图3为本发明实施例所述的后轮驱动电机效率图；
图4为本发明实施例所述的离合器断开时控制算法结构图；
图5为本发明实施例所述的离合器接合时控制算法结构图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
说明书附图中的附图标记包括：前轴驱动电机1、前轴2、左后轮驱动电机31、右后轮驱动电机32、离合器4和动力电池5。
本发明一实施例提供了一种三电机传动结构纯电动汽车来实现，如图1所示，该电动车模型传动系统有三个驱动电机，其中前轴驱动电机1为尺寸较大的电机，安装在前轴2上，其效率图如图2所示，前轴驱动电机1的高效率区域集中在高转矩低转速区域，前轴驱动电机1安装在前驱动桥的目的是为了增加前桥重量，增加抓地能力，提高汽车在行驶过程中的动力性。两个后轮分别安装两个型号相同后轮驱动电机，即左后轮驱动电机31和右后轮驱动电机32，它们的效率图如图3所示，后轮驱动电机的尺寸较小，其峰值转矩和功率均小于前轴驱动电机1的值。此外，在前轴驱动电机1的输出端安装一个离合器4，当需求转矩达到一定值时，离合器4接合，转矩按最优分配的原则分配给三个电机，当离合器断开时，转矩按平均分配的原则分配给左后轮驱动电机31和右后轮驱动电机32，而前轴驱动电机1由于离合器4断开，处于非工作状态。前轴驱动电机1和后轮驱动电机通过动力电池5来供电。
本发明另一实施例提供了一种上述实施例所述三电机传动结构纯电动汽车的转矩分配优化算法，具体步骤如下：
101：根据汽车行驶速度和整车参数，计算出汽车纵向动力学模型：
其中等式左边Fdem为汽车行驶时的需求驱动力，等式右边cair为汽车行驶时的空气阻力系数，Afront为行驶时汽车的迎风面积，此值为汽车的固定参数。ρair为空气密度，vveh为汽车的行驶速度。mveh为汽车行驶时的总质量，g为汽车所在地的重力加速度，croll为滚动阻力系数，β为汽车所在道路的坡度，αveh为汽车行驶加速度。
102:根据汽车行驶速度计算出汽车的需求转矩和需求功率，其中前轴驱动电机1的峰值转矩和功率要大于总转矩和功率需求的一半，同时选择两个后轮驱动电机的性能相同：
Pdem＝Fdem*vveh
Tdem＝Fdem*rw
PME2，max＝PEM3，max
TEM2，max＝TEM3，max
其中Pdem为汽车行驶过程中转矩需求，Fdem为需求驱动力，vveh为汽车行驶速度，rw为汽车车轮半径，PEM2，max，PEM3，max分别为电机2、电机3的最大输出功率，PEM2，max，PEM3，max分别为电机2和电机3的最大输出转矩。
103：根据步骤102中的需求转矩和需求功率，首先确定离合器4的工作状态，通过凸优化的方法，然后选择合适的转矩分配方法。
可选地，步骤103可以包含以下步骤：
1031：当离合器4处于断开状态时，需求转矩由后轮驱动电机提供，转矩按平均分配算法施行，前轴驱动电机1处于不工作状态，其转矩分配流程如图4所示；
1032：当离合器4处于接合状态时，需求转矩由三个电机同时提供，转矩按最优分配，通过凸优化算法实施，其算法流程如图5所示；
1033：根据步骤1032要求，凸优化算法的使用需要对电机模型进行凸化处理，其符合电机在额定功率下的的工作效率，其具体步骤如下：
其中PEMloss为电机的损失功率，aj(j＝1，2，3)为功率损失的系数，是电机转速的函数。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (3)

1.一种三电机传动结构纯电动汽车的转矩分配优化算法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：根据汽车行驶速度和整车参数，计算出汽车纵向动力学模型；
S2：根据汽车行驶速度计算出汽车的需求转矩和需求功率，同时选择两个后轮驱动电机的性能相同；
Pdem＝Fdem*vveh
Tdem＝Fdem*rw
PEM2，max＝PEM3，max
TEM2，max＝TEM3，max
其中Pdem为汽车行驶过程中转矩需求，Fdem为需求驱动力，vveh为汽车行驶速度，rw为汽车车轮半径，PEM2，max，PEM3，max分别为电机2、电机3的最大输出功率，TEM2，max，TEM3，max分别为电机2和电机3的最大输出转矩；
S3：根据步骤S2中的需求转矩和需求功率，首先确定离合器的工作状态，通过凸优化的方法，然后选择合适的转矩分配方法；
步骤S1包括以下步骤：
其中Fdem为汽车行驶时的需求驱动力，cair为汽车行驶时的空气阻力系数，Afront为行驶时汽车的迎风面积，ρair为空气密度，vveh为汽车的行驶速度，mveh为汽车行驶时的总质量，g为汽车所在地的重力加速度，croll为滚动阻力系数，β为汽车所在道路的坡度，aveh为汽车行驶加速度。
2.根据权利要求1所述的三电机传动结构纯电动汽车的转矩分配优化算法，其特征在于：步骤S3包含以下步骤：
S31：当离合器处于断开状态时，需求转矩由两个后轮驱动电机提供，转矩按平均分配算法施行，前轴驱动电机处于不工作状态；
S32：当离合器处于接合状态时，需求转矩由三个电机同时提供，转矩按最优分配，通过凸优化算法实施；
S33：根据步骤S32要求，凸优化算法的使用需要对电机模型进行凸化处理，本发明将电机的功率损失通过二次拟合的方法进行凸化处理，其符合电机在额定功率下的的工作效率，其步骤如下：
其中PEMloss为电机的损失功率，αj(j＝1，2，3)为功率损失的系数，是电机转速的函数。
3.一种三电机传动结构纯电动汽车，包括一个前轴驱动电机和两个型号相同的后轮驱动电机，两个后轮驱动电机为左后轮驱动电机及右后轮驱动电机；其中前轴驱动电机与电动汽车前轴连接，左后轮驱动电机安装在电动汽车左后轮的轮毂上，右后轮驱动电机安装在电动汽车右后轮轮毂上；其特征在于：两个后轮驱动电机的尺寸、峰值转矩和功率均小于前轴驱动电机；前轴驱动电机的输出端连接有离合器，三个驱动电机为电动汽车提供转矩，所述离合器在断开时转矩平均分配给两个后轮驱动电机，所述离合器在需求转矩达到预定值时接合，转矩按如权利要求1-2任一所述的转矩分配优化算法分配给三个驱动电机。
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