CN109532513A - 一种双轴驱动电动汽车最优驱动转矩分配策略生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电动汽车领域，提供了一种双轴驱动电动汽车最优驱动转矩分配策略生成方法。本方法适用于双电机双轴驱动纯电动汽车，包括：基于双轴驱动最优转矩分配模型和电机效率特性，以双电机利用效率最大化为目标，分析得到不同转速和转矩需求下双轴电机最优转矩分配模型。基于整车、电机等参数，设计了普通模式、动力模式与经济模式的踏板开度与力矩需求模型。根据不同的驱动模式，基于双轴电机最优转矩分配模型，生成各模式下前、后轴电机最优驱动转矩分配策略，使双电机的利用效率达到最高。本方法获得汽车前、后轴电机最优转矩分配策略，在满足整车动力性的前提下，提高了双电机利用效率，提升了双轴驱动电动汽车的续航里程。

Description

一种双轴驱动电动汽车最优驱动转矩分配策略生成方法
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，更具体地，涉及一种双轴驱动电动汽车最优驱动转矩分配策略生成方法。
背景技术
纯电动汽车具有无污染、低噪音等优点，是解决城市能源短缺、空气污染等环境问题的重要途径。驱动转矩控制策略直接关系整车动力性与经济性。其中，双轴驱动电动汽车的驱动系统通过前、后两个电机匹配协调工作，有着良好的动力性能优势，且技术难度与成本均不高。但是，已有的双轴驱动控制策略多基于规则的控制策略对前、后轴电机转矩进行分配，未考虑到车辆行驶过程中，不同工况下整车的转矩需求变化也会影响到前、后轴电机转矩的最优分配，最终降低了双电机的利用效率。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种双轴驱动电动汽车最优驱动转矩分配策略生成方法，基于双轴驱动最优转矩分配模型和电机效率特性，以双电机利用效率最大化为目标，分析得到不同转速和转矩需求下双轴电机最优转矩分配模型。基于整车、电机等参数，设计了普通模式、动力模式与经济模式的踏板开度与力矩需求模型。根据不同的驱动模式，基于双轴电机最优转矩分配模型，生成各模式下前、后轴电机最优驱动转矩分配策略，使双电机的利用效率达到最高，以改善不同工况双驱动电动汽车的动力性、经济性、安全性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种双轴驱动电动汽车最优驱动转矩分配策略生成方法，适用于双电机双轴驱动纯电动汽车，包括：
根据电机参数和电机在电动状态下的map特性，以双轴驱动双电机利用效率最大化为目标，建立双轴驱动最优转矩分配模型，获得车辆在不同转速和需求下双电机最优转矩分配模型；
制定了不同驱动模式的踏板开度与力矩需求模型，根据不同的转速和转矩需求，基于所述双轴驱动最优转矩分配模型，生成不同驱动模式下前、后轴电机最优驱动转矩分配策略，使双电机的利用效率达到最高。
进一步地，所述驱动模式包括普通模式、动力模式和经济模式，各模式下的电机转矩负荷系数不同，各模式的电机转矩负荷系数由汽车加速踏板的开度直接决定。
进一步地，所述普通模式为汽车一般加速模式，电机的转矩控制策略采取线性踏板策略，电机转矩负荷系数与加速踏板开度呈线性函数关系。普通模式的转矩控制策略用于满足驾驶员一般加速意图，不追求动力性与经济性，电机的转矩控制策略采取线性踏板策略，即电机转矩负荷系数与加速踏板开度呈线性函数关系。
进一步地，所述动力模式为汽车急加速模式，加速踏板开度与电机转矩负荷系数的关系对应硬踏板控制策略，电机转矩负荷系数与加速踏板开度呈斜率逐渐增大的曲线函数关系。动力模式的转矩控制策略用于满足急加速的需求，提高整车的动力响应速度，且当前转速下可利用的最大转矩为电机的峰值转矩，加速踏板开度与电机转矩负荷系数的关系对应硬踏板控制策略，即电机转矩负荷系数与加速踏板开度呈斜率逐渐增大的曲线函数关系。
进一步地，所述经济模式为汽车节能模式，加速踏板开度与电机转矩负荷系数的关系对软踏板控制策略，电机转矩负荷系数与加速踏板开度呈斜率逐渐减小的曲线函数关系。经济模式的转矩控制策略用于满足最大限度地提高双电机效率，延长电动汽车的续航里程的需求，加速踏板开度与电机转矩负荷系数的关系对软踏板控制策略，即电机转矩负荷系数与加速踏板开度呈斜率逐渐减小的曲线函数关系。
进一步地，还包括建立加速验证仿真模型，根据相同的加速踏板开度变化输入，测试不同驱动模式下达到限定速度的时间，验证不同驱动模式下最优驱动转矩分配策略的动力性。
进一步地，所述加速验证仿真模型的速度变化范围为0-60km/h。电动汽车的动力性以百公里加速时间来评定，为了使数据更具代表性，因此以0-60km/h的加速时间作为评定标准。
进一步地，还包括建立NEDC循环工况仿真模型，验证不同驱动模式下最优驱动转矩分配策略的经济性。经济性主要以NEDC工况下电动中巴的续航里程来评定。
另外，前轴电机与后轴电机的型号相同，传动比也相同。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明针对双轴驱动纯电动汽车的前、后轴电机驱动转矩分配，基于电机的map特性，建立了以双电机利用效率最高为目标的最优转矩分配模型。基于此优化模型，对不同驱动模式，分别生成了前、后轴电机的转矩分配优化策略，并建立了仿真模型进行验证。本生成方法得出汽车前、后轴电机最优转矩分配策略，以改善不同工况双驱动电动汽车的动力性与经济性，在满足整车动力性需求的前提下，能够提高双电机利用效率，提升双轴驱动电动汽车的续航里程。
附图说明
图1是发明的整体流程图。
图2是双轴驱动电动汽车驱动模型图。
图3是电动状态下电机map特性图。
图4是双电机转矩优化分配图。
图5是双电机最优转矩分配模型图。
图6是L-S关系曲线关系图。
图7是动力模式下不同爬坡度的功率与转矩需求对比图。
图8是动力模式下加速踏板开度与坡度的对应关系图。
图9是动力模式下加速踏板开度与电机转速负荷系数对应关系图。
图10是动力模式下的L-S关系曲线图。
图11是单电机最佳工作曲线图。
图12是经济模式下不同转速的功率与转矩需求图。
图13是经济模式下加速踏板开度与转速的对应关系图。
图14是经济模式下加速踏板开度与电机转速负荷系数对应关系图。
图15是经济模式下的L-S关系曲线图。
图16是加速踏板开度曲线图。
图17是普通模式0-60km/h加速时间图。
图18是动力模式0-60km/h加速时间图。
图19是经济模式0-60km/h加速时间图。
图20是NEDC工况图。
图21是三种驱动模式下两种策略的NEDC工况续航里程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例
本实施例提供了一种双轴驱动电动汽车最优驱动转矩分配策略生成方法，适用于双电机双轴驱动纯电动汽车，包括：
根据电机参数和电机在电动状态下的map特性，以双轴驱动双电机利用效率最大化为目标，建立双轴驱动最优转矩分配模型，获得车辆在不同转速和需求下双电机最优转矩分配模型；
制定了不同驱动模式的踏板开度与力矩需求模型，根据不同的转速和转矩需求，基于所述双轴驱动最优转矩分配模型，生成不同驱动模式下前、后轴电机最优驱动转矩分配策略，使双电机的利用效率达到最高。
双轴驱动电动汽车的驱动模型图如图2所示。
驱动过程中，双电机的输入功率Pz为：
Pz＝UIηbηc
式中U为电池工作电压，I为电池工作电流，ηb为电池放电效率，ηc为电机控制器效率。
车轮的总输入功率Pw为：
式中Ttrq1与Ttrq2分别是前、后轴电机的输出转矩，ηmec1与ηmec2分别是前、后轴传动系统效率，i1与i2分别是前、后轴传动比，ω为车轮转速。
定义双电机的利用效率为：
式中ηz为双电机利用效率，η1是前轴电机在转速为n，转矩为Ttrq1时的效率；η2是后轴电机在转速为n，转矩为Ttrq2时的效率。
当转速一定时，双电机的利用效率与前、后轴电机的转矩及效率有关，又因为电机效率是电机转速与转矩的函数，因此在一定转速下，前、后轴电机的分配转矩是影响双电机利用效率的关键因素。
前、后轴电机的转矩分配是影响双电机利用效率的关键因素。因此，为让双电机尽可能工作在高效区间，须对前、后轴电机的驱动转矩分配进行优化。以双电机利用效率ηz最大值为目标函数，以后轴电机转矩分配系数α为设计变量，建立双轴驱动最优转矩分配模型如下：
式中α为后轴电机转矩分配系数，Tz为双电机总需求驱动转矩，Tmax为电机在转速n时能够输出的最大转矩，f(n,Ttrq1)是转速为n，转矩为Ttrq1时前轴电机的效率函数，f(n,Ttrq2)是转速为n，转矩为Ttrq2时后轴电机的效率函数。
双轴驱动电动汽车的前、后轴动力系统匹配可以根据需求选择相同或者不同，前、后轴匹配相同的动力系统，可以降低电控系统的复杂性与成本。本实施例以较为常见的前、后轴动力系统匹配相同、前、后轴传动比相同的双轴驱动纯电动汽车为对象，即前轴电机与后轴电机的型号、传动比相同，其他类型可基于方法扩展。
以某双轴驱动纯电动轻量化中巴为例，通过台架测试获取前、后轴电机在电动状态下的map特性图，如图3所示。
在不同转速与转矩需求条件下，求解双轴驱动最优转矩分配模型，获得双电机不同转速与转矩需求条件下的前、后轴电机转矩优化分配图，如图4所示。
由图4可知，最优转矩分配系数主要分布在α＝0.5与α＝1的区域，只有较少最佳工作点分布在其之外，且主要分布在0.5和0.6附近。为了让工作点分布特征更加明显，对该部分数据以就近原则进行处理，将其分别划入α＝0.5与α＝0.6的区域，其中0.6的工作点约占总区域的5.6％。同时，在各转速下，随着转矩需求逐渐增大，工作点的最佳分配系数均由1跃变为0.5。对于0.5与1边界间的跃变区域，由于转矩需求较小，可单电机驱动，因此可将该部分归入到α＝1的区域。最终得到的双电机最优转矩分配模型图如图5所示。
因此，在一定转速下，根据不同的双电机输出转矩需求，可基于该分配模型，寻得最优后轴电机转矩分配系数，制定前、后轴电机转矩分配策略，从而达到双电机利用效率最优的目标。
车辆在行驶过程中，加速踏板开度的变化是驾驶员意图的直接体现，驾驶员对加速踏板的控制反映了驾驶员当前对于转矩的需求状态。根据不同的加速踏板开度变化，可以划分出三种驾驶驱动模式分别是：普通模式、动力模式与经济模式。
定义加速踏板开度与电机转矩负荷系数有如下关系：L＝f(S)
式中L为电机转矩负荷系数，S为加速踏板开度。
双电机系统的需求转矩可表示为：Tz＝Tmax·L
式中Tmax为当前转速电机可能输出的最大转矩。
根据不同工况下的转矩需求，加速踏板开度与电机转矩负荷系数之间的函数关系可以设定为三条曲线，如图6所示。图中A、B、C三条曲线分别代表三种不同的驾驶员驱动模式，曲线A代表硬踏板控制策略，整车动力响应较好，能够满足驾驶员的动力性需求；曲线B代表线性踏板控制策略，控制效果介于曲线B和曲线C之间；曲线C代表软踏板控制策略，属于经济驾驶模式，经济性高，动力性偏弱。
1)普通模式的转矩控制策略用于满足驾驶员的一般加速意图，不追求动力性与经济性。因此，普通模式下，电机的转矩控制策略采取线性踏板策略，即电机转矩负荷系数与加速踏板开度呈线性函数关系，即使用曲线B，可表示为：L＝S，这种线性函数关系简单，便于计算且能直接反映踏板的实际位置，符合普通模式下驾驶员对电机转矩的需求。
普通模式下，电动中巴使用电机的外特性曲线，即当前转速下电机的最大输出转矩为峰值转矩，可表示为：
式中Tpeak为电机的峰值转矩，ne为电机的额定转速，Ppeak为电机的峰值功率，npeak为电机的峰值转速。
因此，普通模式下，不同转速与转矩需求所对应的前、后轴电机最优转矩分配策略可表示为：
式中αm是转速为n，总需求转矩为Tz时的最优转矩分配系数。
2)在动力模式下，为了提高整车的动力响应速度，满足急加速的需求，加速踏板开度与电机转矩负荷系数的关系对应硬踏板控制策略，即电机转矩负荷系数与加速踏板开度呈斜率逐渐增大的曲线函数关系，即使用曲线A，且当前转速下可利用的最大转矩为电机的峰值转矩。
纯电动汽车的动力性主要体现在爬坡工况，由车型的设计目标可知，以15km/h车速爬坡时，车辆的最大爬坡度大于20％，因此，拟设定动力模式下电动汽车的最大爬坡度为30％。以15km/h的车速爬坡，可以得到不同的坡度所需的电机功率与驱动转矩，如图7所示。
双驱动电动中巴以15km/h车速爬坡时，双电机系统的最大输出转矩为1600N·m，最大功率为85.76kW，可以看出双电机满足车辆爬30％坡度时的转矩与功率需求。可以设定加速踏板开度与坡度有以下一一对应关系，如图8所示。
利用式Tz＝Tmax·L，可以求出爬坡时每个加速踏板开度对应的电机转矩负荷系数，如图9所示。
通过数据拟合，最终可得到加速踏板开度与电机转速负荷系数的关系曲线，如图10所示。
根据上述关系曲线，可得到动力模式下双电机的最优转矩分配策略为：
式中L1为动力模式下的电机转矩负荷系数。
3)经济模式主要是为了最大限度地提高双电机的能量利用效率，延长电动汽车的续航里程，即电机转矩负荷系数与加速踏板开度呈斜率逐渐减小的曲线函数关系。从电机的MAP特性出发，将一定转速和转矩需求下单电机最优效率点连成一条曲线，也就是单电机的最佳工作曲线，如图11所示。
经济模式下，当双电机同时工作时，双电机的效率与最佳工作曲线的效率一致，因此，可以得到不同转速下双电机的输出功率与转矩，如图12所示。
设定加速踏板开度与转速有如下一一对应关系，如图13所示。
经济模式下双电机可输出的最大转矩为当前转速对应的峰值转矩，利用式Tz＝Tmax·L，可以求出每个转速下加速踏板开度对应的电机转矩负荷系数，如图14所示。
通过数据拟合，最终可得到加速踏板开度与电机转速负荷系数的关系曲线，如图15所示。
由图15可知，经济模式下所对应的L-S关系曲线和软踏板控制策略，即曲线C相似，说明软踏板控制策略满足经济模式对双电机效率最优的转矩控制要求。根据上述关系曲线，可得到经济模式下双电机的最优转矩分配策略为：
式中L2为经济模式下的电机转矩负荷系数。
另外，利用Carsim与Simulink建立双驱动电动中巴联合仿真模型，设计0-60km/h加速与NEDC循环工况的实验方案，来验三种驱动模式的转矩分配优化策略的动力性与经济性。
电动汽车的动力性以百公里加速时间来评定，但由于电动中巴的设计车速不高，因此以0-60km/h的加速时间作为评定标准。而经济性主要以NEDC工况下电动中巴的续航里程来评定。
目前双电机转矩主要依据定比例分配，本实施例与现有的双电机平分转矩策略进行对比，为描述简便，将本实施例策略表示为策略1，平分转矩策略表示为策略2。
加速验证仿真模型中，设置Carsim的驾驶员加速踏板输入如图16所示。加速踏板开度在2s内达到全负荷开度，并保持到仿真结束，可分别得到策略1与策略2在三种驱动模式下的0-60km/h加速时间，如图17、图18和图19所示。
由仿真结果可知，相同加速踏板变化输入，三种驱动模式下策略1的0-60km/h加速时间均比策略2的有小幅度缩短，这是因为在起步加速阶段，车辆重心后移会使得前轮发生轻微打滑，而策略1在初始阶段为后轴电机独立驱动，比策略2更能有效地利用后轮的附着力，从而提升整车的动力性。
同时，采用新欧洲行驶循环(NEDC)工况来验证策略1与策略2在三种驱动模式下的经济性，工况车速随时间变化如图20所示。
对NEDC循环工况中的驱动行驶工况进行分析计算，可分别得到策略1和策略2在三种驱动模式下的NEDC工况续航里程，如图21所示。
由仿真结果可知，采用本实施例的策略1，电动中巴NEDC工况的续航里程比策略2的均有优化提升，在普通模式、动力模式与经济模式下分别提升了2.2％、4.56％与6.6％。说明策略1能够在保证整车动力性的前提下，实现双电机利用效率最优的目标，提升电动汽车的续航里程。
本实施例针对双轴驱动纯电动汽车的前、后轴电机驱动转矩分配，基于电机的map特性，建立了以双电机利用效率最高为目标的最优转矩分配模型。基于此优化模型，对不同驱动模式，分别生成了前、后轴电机的转矩分配优化策略，并建立了仿真模型进行验证。本生成方法得出汽车前、后轴电机最优转矩分配策略，以改善不同工况双驱动电动汽车的动力性与经济性，在满足整车动力性需求的前提下，能够提高双电机利用效率，提升双轴驱动电动汽车的续航里程。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双轴驱动电动汽车最优驱动转矩分配策略生成方法，其特征在于：适用于双电机双轴驱动纯电动汽车，包括：
根据电机参数和电机在电动状态下的map特性，以双轴驱动双电机利用效率最大化为目标，建立双轴驱动最优转矩分配模型，获得车辆在不同转速和需求下双电机最优转矩分配模型；
制定了不同驱动模式的踏板开度与转矩需求模型，根据不同的转速和转矩需求，基于所述双轴驱动最优转矩分配模型，生成不同驱动模式下前、后轴电机最优驱动转矩分配策略，使双电机的利用效率达到最高。
2.根据权利要求1所述的一种双轴驱动电动汽车最优驱动转矩分配策略生成方法，其特征在于：所述驱动模式包括普通模式、动力模式和经济模式，各模式下的电机转矩负荷系数不同，各模式的电机转矩负荷系数由汽车加速踏板的开度直接决定。
3.根据权利要求2所述的一种双轴驱动电动汽车最优驱动转矩分配策略生成方法，其特征在于：所述普通模式为汽车一般加速模式，电机的转矩控制策略采取线性踏板策略，电机转矩负荷系数与加速踏板开度呈线性函数关系。
4.根据权利要求2所述的一种双轴驱动电动汽车最优驱动转矩分配策略生成方法，其特征在于：所述动力模式为汽车急加速模式，加速踏板开度与电机转矩负荷系数的关系对应硬踏板控制策略，电机转矩负荷系数与加速踏板开度呈斜率逐渐增大的曲线函数关系。
5.根据权利要求2所述的一种双轴驱动电动汽车最优驱动转矩分配策略生成方法，其特征在于：所述经济模式为汽车节能模式，加速踏板开度与电机转矩负荷系数的关系对软踏板控制策略，电机转矩负荷系数与加速踏板开度呈斜率逐渐减小的曲线函数关系。
6.根据权利要求2所述的一种双轴驱动电动汽车最优驱动转矩分配策略生成方法，其特征在于：还包括建立加速验证仿真模型，根据相同的加速踏板开度变化输入，测试不同驱动模式下达到限定速度的时间，验证不同驱动模式下最优驱动转矩分配策略的动力性。
7.根据权利要求6所述的一种双轴驱动电动汽车最优驱动转矩分配策略生成方法，其特征在于：所述加速验证仿真模型的速度变化范围为0-60km/h。
8.根据权利要求1或2所述的一种双轴驱动电动汽车最优驱动转矩分配策略生成方法，其特征在于：还包括建立NEDC循环工况仿真模型，验证不同驱动模式下最优驱动转矩分配策略的经济性。
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