CN108749646A - 一种双电机电动汽车驱动转矩分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电机电动汽车驱动转矩分配方法，属于新能源汽车技术领域，该方法能够根据当前车辆行驶工况和电机工作状态，实现合理的驱动转矩分配，以确保在任意时刻双电机系统的能耗最低，提高车辆经济性。首先，通过对动力电池能耗的分析，预先确定双电机转矩分配的目标函数；其次，确定各电机效率函数；然后，根据电机效率函数及待分配的总转矩，确定跳跃式搜索的起点和终点；最终，根据跳跃式搜索的起点和终点，结合实际工况，在电机效率函数内进行搜索，搜索完成后，输出最优转矩值。

Description

一种双电机电动汽车驱动转矩分配方法

技术领域

本发明属于新能源汽车技术领域，涉及一种纯电动汽车能量管理方法，特别是一种双电机电动汽车驱动转矩分配方法。

背景技术

经过近几年的发展，我国新能源汽车产业已初具规模，也出现了一批具有竞争力的电动车企业，目前市面上的纯电动汽车主要以单电机驱动为主。但是，在城市行驶条件下，车辆需求功率较小，传统的单电机电动汽车由于只有一个功率较大的电机，所以一般运行在电机的低效率区间，整车经济性较差；而双电机驱动电动汽车由于匹配了两台功率较小的电机，则可以采用单电机独立驱动，提升电机的工作效率，整车经济性也随之提高。在高速行驶条件下，由于需求功率较大，双电机电动汽车则可以采用双电机联合驱动以满足整车动力性要求。通过单、双电机工作模式的实时切换，双电机电动汽车可以兼顾动力性和经济性。

因此，亟需一种能够兼顾动力性和经济性的双电机电动汽车能量管理解决方案。

发明内容

考虑到现有电动汽车的缺陷与不足，本发明的目的是：提供一种双电机电动汽车驱动转矩分配方法，其特征在于能够根据当前车辆行驶工况和电机工作状态，实现合理的驱动转矩分配，以确保在任意时刻下电机工作效率较高，能耗较低，从而提高车辆经济性。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是这样的，即一种双电机电动汽车驱动转矩分配方法，包括以下步骤：

步骤1：通过对动力电池能耗的分析，预先确定双电机转矩分配的目标函数；

步骤2：确定各电机效率函数；

步骤3：根据电机效率函数及待分配的总转矩，确定跳跃式搜索的起点和终点；

步骤4：根据跳跃式搜索的起点和终点，结合实际工况，在电机效率函数内进行搜索，搜索完成后，输出最优转矩值。

优选的，所述电动汽车为前后轴各一个驱动电机独立驱动的构型方式，构型如图1所示。

优选的，步骤1中，通过对动力电池能耗的分析，预先确定双电机转矩分配的目标函数，推导过程如下：

(1)根据该电动汽车构型特点，动力电池的能量消耗为

W_b＝W_mf+W_mr+W_df+W_dr+W_acc

式中，W_b为电池的能量消耗；W_mf为前电机系统的能量消耗；W_mr为后电机系统的能量消耗；W_df为前动力传动系统的能量损失；W_dr为后动力传动系统的能量损失；W_acc为其它附件能量消耗。其中，动力传动系统损失的能量和其它附件消耗的能量在行驶时可以视为常值，为降低动力电池能量消耗而进行优化时该部分可以不予考虑，主要研究双电机系统的能量消耗即可。

(2)双电机系统的能量消耗为

式中，W为双电机系统能量消耗；P_m为双电机系统输入功率；t为系统运行时间。

因此，在某段时间内，减小双电机系统的输入功率可以降低双电机系统能量消耗。

(3)在已知电机转矩、当前转速及效率的情况下，可以求出双电机系统的输入功率为

式中，P_m为双电机系统输入功率；P_mf、P_mr分别为前、后电机输入功率；T_mf、T_mr分别为前、后电机转矩；n_mf、n_mr分别为前、后电机转速；η_mf，η_mr分别为前、后电机工作效率。

根据前文推导，该双电机系统的输入功率公式可以作为双电机转矩分配的目标函数，但由于本搜索方法是基于迭代的跳跃式搜索，每一步都需要对目标函数进行计算与判断，为了减少计算量，提高搜索速度，目标函数应尽可能简化。考虑到以上原因，由于针对每一个采样点，转速是恒定的，在不同转矩下对目标函数值的比较无实际影响，因此预先确定双电机转矩分配的目标函数为

式中，T_mf、T_mr分别为前、后电机转矩；η_mf、η_mr分别为前、后电机效率。

优选的，步骤2中，电机效率函数是通过电机台架试验所获取，存储于整车控制单元中，电机效率值与转速、转矩有关，电机效率函数为

η＝f(T,n)

式中，η为电机效率；T为电机转矩；n为电机转速。

优选的，步骤3中，跳跃式搜索的起点和终点是由电机可工作转矩范围、电机外特性转矩及待分配的总转矩决定。搜索的起点等于某转速下电机可工作转矩范围的最低值，搜索的终点为某转速下电机外特性转矩和待分配总转矩二者的最小值，即

T_start＝T_min(n)

T_end＝min(T_d,T_max(n))

式中，T_start为搜索的起点；T_end为搜索的终点；T_d为待分配的总转矩；T_max(n)为某转速下电机外特性转矩；T_min(n)为某转速下电机可工作转矩范围的最低值。

优选的，步骤4中，为了提高搜索精度，首选读取电机转速等参数来判断车辆行驶实际工况，然后利用跳跃式搜索在电机效率函数内进行多路径并行搜索，满足终止条件时，输出最优值。

优选的，步骤4中，结合实际工况，目标函数最小为搜索的最终目标，目标函数最小时对应的转矩即为最优分配转矩值，具体搜索过程为

(1)搜索过程的初始化；

(2)在搜索的起点和终点的范围内完成跳跃式搜索，转矩和转矩变化采用以下公式进行更新：

式中，T_V代表转矩变化；T代表转矩；k代表迭代次数；i代表路径数；c₁和c₂称为搜索因子；r₁,r₂为分布在(0,1)之间的随机数；ω代表搜索惯性权重系数，表示前次搜索转矩变化对该次的影响；P_i代表某次迭代第i条路径的最小目标函数值；P_g代表某次迭代所有路径的最小目标函数值。

(3)在达到预设迭代次数后，目标函数最小值对应的转矩就是最优分配转矩。

在本发明中，用T_i＝(T_i1,T_i2)表示在搜索过程中第i条路径的转矩，T_i1代表第i条路径前电机转矩值，T_i2代表第i条路径后电机转矩值；用T_Vi＝(T_Vi1,T_Vi2)表示在搜索过程中第i条路径的转矩变化，T_Vi1代表第i条路径前电机转矩变化，T_Vi2代表第i条路径后电机转矩变化。

在跳跃式搜索时，搜索惯性权重系数随着迭代次数的增加而线性递减，为

式中，ω为当前搜索惯性权重系数，ω_max为最大搜索惯性权重系数；ω_min为最小搜索惯性权重系数；k为当前迭代次数；k_max为最大迭代次数。

为了满足实际的工程需要，在跳跃式搜索时，应添加必要的约束，主要包括两部分：

1)转矩的约束：①每个转速点所分配的两个电机转矩必须不能超过该转速下电机外特性转矩值，在初始化和迭代时都应对转矩进行判断，不符合条件的应做相应处理。②分配完的双电机转矩和必须等于整车总需求转矩，所以在初始化和迭代时也得对转矩进行判断，必须满足该条件。③由于本发明以前电机为主电机，因此，在搜索时前电机转矩值不应小于后电机转矩值，当出现后电机转矩值大于前电机时，该次搜索结果应舍去。

2)转矩变化的约束：一方面，为了提高搜索精度，避免遗漏最优转矩点，也为了防止迭代更新时转矩变化过大，增加转矩超过限制的次数，从而增加不必要的计算量，转矩变化应有某一上限值；另一方面，要提高搜索速度，保证高效搜索，转矩变化应有某一下限值。

附图说明

图1是本发明所研究双电机电动汽车的构型图。

图2是本发明所研究双电机电动汽车驱动电机的效率图。

图3是本发明的具体实施流程图。

图4是硬件在环测试时，在新欧洲行驶循环(New European Driving Cycle,NEDC)工况下，双电机电动汽车的速度跟随曲线。

图5是硬件在环测试时，在NEDC工况下，双电机电动汽车的需求转矩曲线。

图6是硬件在环测试时，在NEDC工况下，双电机电动汽车的转矩分配曲线。

图7是硬件在环测试时，在NEDC工况下，双电机电动汽车采用本发明的跳跃式搜索方法与基于规则的分配策略时电池SOC变化对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本实施例以山东省某公司某型号双电机前后轴独立驱动电动车为研究对象，该车构型如图1所示，整车参数如表1所示，驱动电机参数如表2所示，动力电池参数如表3所示，驱动电机的效率图如图2所示。

表1整车参数

表2驱动电机参数

表3动力电池参数

对于传统的多动力源汽车来说，基于规则的控制策略由于其容易实现而得到了最广泛的应用。

针对该研究对象，根据交流异步电机效率图，提出一种基于规则的转矩分配策略，作为本发明方法的对比。该策略包括两种工作模式：单电机模式和双电机模式，工作模式是由电机转速n和整车需求转矩T_d决定。在单电机模式下，默认由前电机独立驱动整车运行；在双电机模式下，实行平分转矩的分配策略。具体策略如下：

(1)n≤1200rpm:0＜T_d≤40Nm时，采用单电机模式；40Nm＜T_d＜220Nm时，采用双电机模式。

(2)1200rpm＜n≤4500rpm:0＜T_d≤50Nm时，采用单电机模式；50＜T_d≤T_max(n)时，采用双电机模式，T_max(n)为当前转速下电机外特性转矩值。

(3)4500rpm＜n≤7000rpm:T_d≤T_max(n)时，采用单电机模式；T_d＞T_max(n)时，采用双电机模式。

图3是本发明的具体实施流程图。

跳跃式搜索的参数设置如表4所示。

表4跳跃式搜索的参数设置

为了验证该方法的可行性，对该方法进行了硬件在环测试。在硬件在环测试中，采用NEDC工况作为测试用例，观察双电机电动汽车车速跟随情况、驱动转矩需求及分配情况来验证该方法的可行性，并通过与基于规则控制策略的对比，来验证该方法的能效性。

NEDC工况速度跟随曲线如图4所示，NEDC工况需求转矩曲线如图5所示，NEDC工况需求转矩分配曲线如图6所示。

从图4-6可以看出：

(1)在NEDC工况下运行到1096秒时，实际车速与目标车速之间误差偏大，这是由于该车的动力性参数受限，而其它时间内车速跟随正常，说明提出的本方法能够满足实际的需求。

(2)在城市循环工况内，整体需求转矩较小，整车大多时间运行在单电机模式下，只有在短暂的急加速时间内运行于双电机模式下；在市郊循环工况下，对车辆动力性的要求更高，整车运行在双电机模式下的比例较城市循环更高。

在NEDC工况下，将该转矩分配方法与基于规则控制策略进行对比，SOC变化曲线如图7所示。

从图7可以看出，在NEDC工况下，与传统基于规则的驱动转矩分配策略相比，本发明的驱动转矩分配方法具有更好的能效性。每个NEDC工况行驶距离为11.007km，两种策略对比结果如表5所示。

表5本发明方法与基于规则策略对比

通过对以上硬件在环测试结果分析可知，本发明所提出的双电机电动汽车驱动转矩分配方法可以满足双电机电动汽车在道路行驶的需要。一方面，该方法可以做到转矩的实时分配，具有较好的实时性；另一方面，本方法与基于规则的策略相比，能效性得到了提高，在NEDC工况下，本方法续驶里程达到了129.7km，较基于规则的转矩分配策略提高了7％以上。

Claims (7)

1.一种双电机电动汽车驱动转矩分配方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：通过对动力电池能耗的分析，预先确定双电机转矩分配的目标函数；

步骤2：确定各电机效率函数；

步骤3：根据电机效率函数及待分配的总转矩，确定跳跃式搜索的起点和终点；

步骤4：根据跳跃式搜索的起点和终点，结合实际工况，在电机效率函数内进行搜索，搜索完成后，输出最优转矩值。

2.如权利要求1所述的一种双电机电动汽车驱动转矩分配方法，其特征在于，所述电动汽车为前后轴各一个驱动电机独立驱动的构型方式。

3.如权利要求1所述的一种双电机电动汽车驱动转矩分配方法，其特征在于，步骤1中，预先确定双电机转矩分配的目标函数为

式中，T_f、T_r分别为前、后电机转矩；η_f、η_r分别为前、后电机效率。

4.如权利要求1所述的一种双电机电动汽车驱动转矩分配方法，其特征在于，步骤2中，电机效率函数是通过电机台架试验所获取，存储于整车控制单元中，电机效率值与转速、转矩有关，电机效率函数为

η＝f(T,n)

式中，η为电机效率；T为电机转矩；n为电机转速。

5.如权利要求1所述的一种双电机电动汽车驱动转矩分配方法，其特征在于，步骤3中，跳跃式搜索的起点和终点是由电机可工作转矩范围、电机外特性转矩及待分配的总转矩决定，搜索的起点等于某转速下电机可工作转矩范围的最低值，搜索的终点为某转速下电机外特性转矩和待分配总转矩二者的最小值，即

T_start＝T_min(n)

T_end＝min(T_d,T_max(n))

式中，T_start为搜索的起点；T_end为搜索的终点；T_d为待分配的总转矩；T_max(n)为某转速下电机外特性转矩；T_min(n)为某转速下电机可工作转矩范围的最低值。

6.如权利要求1所述的一种双电机电动汽车驱动转矩分配方法，其特征在于，步骤4中，为了提高搜索精度，首选读取电机转速等参数来判断车辆行驶实际工况，然后利用跳跃式搜索在电机效率函数内进行多路径并行搜索，满足终止条件时，输出最优值。

7.如权利要求1所述的一种双电机电动汽车驱动转矩分配方法，其特征在于，步骤4中，结合实际工况，目标函数最小为搜索的最终目标，目标函数最小时对应的转矩即为最优分配转矩值，具体搜索过程为

(1)搜索过程的初始化；

(2)在搜索的起点和终点的范围内完成跳跃式搜索，转矩和转矩变化采用以下公式进行更新：

式中，T_V代表转矩变化；T代表转矩；k代表迭代次数；i代表路径数；c₁和c₂称为搜索因子；r₁,r₂为分布在(0,1)之间的随机数；ω代表搜索惯性权重系数，表示前次搜索转矩变化对该次的影响；P_i代表某次迭代第i条路径的最小目标函数值；P_g代表某次迭代所有路径的最小目标函数值；

(3)在达到预设迭代次数后，目标函数最小值对应的转矩就是最优分配转矩。