CN109878500B - 一种双电机变速箱驱动系统协同控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双电机变速箱驱动系统协同控制策略，特别针对变速箱位于一个电机和行星排之间的双电机变速箱的驱动系统构型，对于两个挡位，基于电机驱动效率map图，分别通过全局离线寻优的方式获得各自挡位下的转矩分配表和驱动系统效率表；通过对比相同工作点两个挡位的驱动系统效率，得到能耗经济性最优的换挡规律，再根据转矩分配表查表得到转矩分配策略。针对多模高效电驱动系统工作模式多，控制复杂的问题，以及经济性优化目标，深度挖掘行驶及作业中工况数据、双电机效率互补特征，提高协同控制效率，实现车辆性能最优控制。

Description

一种双电机变速箱驱动系统协同控制策略

技术领域

本发明涉及新能源汽车动力系统技术领域，具体涉及一种纯电动商用车双电机变速箱驱动系统协同控制策略。

背景技术

纯电动商用车辆的经济性是重要的性能评价指标。在满足车辆动力性能的约束条件下，基于双电机的效率数据，合理分配双电机工作点及制定合理的换挡规律是降低能耗的有效解决方案。

因此，本领域内的研究者针对双电机动力系统降低能耗的问题，提出了双电机转矩分配策略和两挡变速箱换挡规律。如专利CN107131296A和CN107131296A提出了一种面向能耗的纯电动汽车双电机两档变速箱动力系统控制策略，然而，现有技术开发的控制策略不合适本发明的变速器位于驱动电机和行星排之间的双电机变速箱驱动系统构型。根据上述现有技术，当驱动系统的需求转矩确定时，就可以根据转矩分配策略确定两个电机的工作点。而本发明中，变速器位于驱动电机和行星排之间决定了转矩分配策略和换挡规律不能分别考虑。对于相同的车速和踏板开度，可以确定传动系统输出轴处的转速，则可以确定作业电机的转速，而驱动电机的转速因挡位而异；驱动系统输出轴的需求转矩因变速箱挡位而异，则两个电机的转矩都与挡位相关。而挡位的确定，需要对比两个挡位在对应需求转矩下的驱动系统效率孰高孰低。对于不同挡位，对应驱动电机的转速不同，其各自的能耗经济性最优转矩分配表及其驱动系统效率需要预先离线获得。此外，本发明中构型的作业电机峰值转速限制了双电机变速箱驱动系统协同控制策略在全部工况的应用，需要单独考虑部分工况的驱动系统控制策略。

综上所述，针对行星排之间的双电机变速箱的驱动系统构型和现有技术的不足和变速器位于驱动电机，本发明提出一种双电机变速箱驱动系统协同控制策略。对于两个挡位，基于电机驱动效率map图，分别通过全局离线寻优的方式获得各自挡位下的转矩分配表和驱动系统效率表；通过对比相同工作点两个挡位的驱动系统效率，得到能耗经济性最优的换挡规律，再根据转矩分配表查表得到转矩分配策略。将该策略应用在Matlab/Simulink整车动力学模型中，验证该协同控制策略的可行性和能耗经济性。

本发明针对多模高效电驱动系统工作模式多，控制复杂的问题，以及经济性优化目标，深度挖掘行驶及作业中工况数据、双电机效率互补特征，提高协同控制效率，实现车辆性能最优控制。

发明内容

附图说明

图1双电机变速箱驱动系统构型图

图2协同控制策略流程图

图3驱动系统工作点区域划分图

图4两挡位驱动系统效率对比图

图5变速箱1挡时的驱动电机输出转矩表图

图6变速箱2挡时的驱动电机输出转矩表图

图7变速箱1挡时驱动系统效率表图

图8变速箱2挡时驱动系统效率表图

图9双参数经济性换挡规律图

图10转矩分配策略图

图11驱动系统效率map图

具体实施方式

本发明的双电机变速箱驱动系统协同控制策略基于图1所示的一种新型的双电机变速箱驱动系统，下面对双电机变速箱驱动系统的驱动方式进行分析。

首先，作业电机不用于独自驱动车辆行驶。如图1所示，该构型中，作业电机只在非作业工况时作为辅助电机参与驱动车辆行驶，因而作业电机在参数匹配时，考虑同时满足作业与辅助驱动的功率需求，其性能参数不适于绝大多数工况下独自驱动车辆行驶。而且，这一限制也减少了因频繁进行模式切换带来的机械构件磨损与模式切换冲击对舒适性的影响。因此，该驱动系统提供驱动力的方式只有两种：仅由驱动电机提供驱动力的单电机驱动方式，以及由驱动电机与作业电机同时提供驱动力的双电机驱动方式。

其次，从硬件条件的角度分析，该构型的结构与电机性能参数决定了高速时(90-100km/h)采用单电机驱动方式。在该构型中，不考虑作业装置，驱动系统由驱动电机，作业电机，两档变速箱与行星排组成。驱动系统的两个输入轴分别是两个电机的输出轴，驱动系统的输出轴连接在行星排的齿圈上。行星架由锁止机构固定在驱动系统壳体上，作业电机经过惰轮与太阳轮连接，经由行星轮将转矩加载在齿圈上，因而作业电机到驱动系统输出轴的减速比是固定的，即为行星排在该结构下的传动比。而驱动电机经过两档变速箱将转矩加载在齿圈上，驱动电机到驱动系统输出轴的减速比为因挡位而异。因此，两个电机的输出转矩最终在齿圈上进行转矩耦合，两电机的转速始终与车速耦合。因此，为了满足车辆最高车速达到100km/h的动力性指标，需要核算两个电机的最高转速指标能否达到要求。经过计算，作业电机的峰值转速对应车速为90.2km/h，驱动电机的峰值转速对应车速为101.6km/h。因此，当车速在90-100km/h范围内时，作业电机将超负荷运转，对电机性能损害较大，因此在高速工况，作业电机的输出轴连同惰轮、太阳轮和行星轮空转，采用仅由驱动电机提供驱动力的单电机驱动方式。

至此，分析确定了双电机变速箱驱动系统的两种驱动方式，仅驱动电机提供驱动力的单电机驱动方式和驱动电机与作业电机同时提供驱动力的双电机驱动方式。

高速时(90-100km/h)只能采用单电机驱动方式，其余工作点(0-90km/h)有条件采用双电机驱动方式。由于两种驱动方式都有驱动电机参与，而驱动电机经过两档变速箱将转矩传递到齿圈，因此需要对所有工况制定换挡规律，并对双电机驱动方式制定转矩分配策略。本发明中具体实施例中将高速定为90km/h以上，然而实际驱动方式设置中并不局限90km/h，本领域工程师可根据实际的驱动电机和作业电机性能参数确定实际的适合的高速速度值。

本发明的双电机变速箱驱动系统协同控制策略基于图1所示的一种新型的双电机变速箱驱动系统，制定两档变速系统的换挡规律与双电机耦合驱动转矩分配策略，即双电机变速箱驱动系统协同控制策略，提升驱动系统的效率，提高车辆的能耗经济性。

本发明的双电机变速箱驱动系统协同控制策略具体步骤如下：

步骤1：确定双电机的驱动方式。

确定单电机驱动方式的工作点和有条件采用双电机驱动方式的工作点。

本实施例是车速0-90km/h范围内有条件采用双电机驱动方式，高速时(90-100km/h)采用单电机驱动方式

步骤2：离线获取各挡位转矩分配表和驱动系统效率表。

对于有条件采用双电机驱动方式的工作点，离线获取各个挡位下的驱动系统效率最优的转矩分配表及其驱动系统效率表，用于后续步骤查表使用。其中各挡位下的转矩分配表用于步骤3中选择挡位时查表使用；以及获得两张驱动系统效率表，用于步骤4中已知工作点、挡位情况下获得双电机转矩分配数值时查表使用。

工作点是双电机驱动方式时，驱动电机与作业电机在分别经过变速箱与行星排后，在齿圈进行转矩耦合。对于任何一个工作点，即对于任何给定的踏板开度和车速，首先可以确定传动系统输出轴的转速。而位于传动系统输出轴处的需求转矩则因挡位而异，不能确定。因而，需要先确定该工作点的挡位。而挡位的确定，需要对比两个挡位在相同工作点的驱动系统效率孰高孰低。而在任意工作点，两个挡位下各自的驱动系统效率最优的转矩分配表及其驱动系统效率表是可以率先离线获得的。因此，此步骤2就是要对于两个挡位，不考虑换挡，分别计算得到各档位下满足驱动系统效率最优的转矩分配表及其驱动系统效率表。

转矩分配表以驱动系统输出轴转速为x轴坐标，以驱动系统输出轴的需求转矩为y轴坐标，以驱动电机的输出转矩作为z坐标。该转矩分配表表示在该挡位下满足能耗经济性最优的转矩分配比例。

在各挡位下，分别对驱动电机的输出转矩进行寻优，优选的可以通过全局离线寻优方法。

对于有条件采用双电机驱动方式的工作点内，在变速箱的每个挡位，计算驱动电机固定转速间隔下的每一个驱动系统输出轴转速，从而计算作业电机的对应转速；驱动电机固定转速间隔优选为100rpm。

在加速踏板开度0-1范围内，对每个挡位，以需求转矩固定转速间隔划分出每一个驱动系统输出轴的需求转矩点，并计算每一个所述驱动系统输出轴的需求转矩点的值；以固定转速间隔划分出每一个驱动系统输出轴转速点；

各挡位的各驱动系统输出轴的需求转矩点和各驱动系统输出轴转速点相互对应构成需要计算的全部驱动系统工作点；

对每一个工作点，以驱动系统效率最高为目标，以固定转矩间隔不断改变驱动电机输出转矩，优选地固定转矩间隔是1Nm，计算对应的作业电机的输出转矩，从而根据两电机各自的驱动效率map图，计算该挡位时驱动系统在该工作点的驱动系统效率。由此，寻优得到该挡位下该工作点的使驱动系统效率最高的驱动电机输出转矩值。

将全部工作点的寻优结果列表，即得到各个挡位下的能耗经济性最优的驱动系统效率最优的转矩分配表及其驱动系统效率表。

在对每个工作点寻优时，以能耗经济性为目标建立的优化模型如下式所示：

其中，η为驱动系统效率，T_d为输出轴(主减速器的输入端)转矩，单位Nm；n_d为输出轴转速，单位rpm；T₁，T₂分别为驱动电机和作业电机的输出转矩，单位Nm；n₁，n₂分别为驱动电机和作业电机的输出转速，单位rpm；η₁，η₂分别为驱动电机和作业电机在各自转速、输出转矩下的效率。

本发明实施例中变速箱具有两个挡位，则获得驱动系统效率最优的转矩分配表及其驱动系统效率表各两张，若变速箱可以具有三个以上的N个挡位，则需要得到N个挡位下的能耗经济性最优的N张转矩分配表及N张驱动系统效率表。

步骤3：双参数经济性换挡策略。

对于全部工作点，本实施例是0-100km/h，都有驱动电机参与驱动车辆行驶，需要确定全部工作点的挡位。

首先，根据车速的全部范围和两个挡位的驱动系统外特性范围，将驱动系统全部工作点划分为四个区域：双电机低速大转矩区，双电机高转速区，双电机可换挡区，单电机高转速区(本实施例是90-100km/h)，如图3所示。

如图3所示，根据前文论述，在采用驱动电机单独驱动方式的工作点，此实施例是车速90-100km/h范围内，只有2挡可以达到转速要求。在其他区域都有条件采用双电机驱动方式。由驱动系统外特性容易得出，在双电机低速大转矩区，只有1挡可以满足需求转矩；在双电机高转速区，只有2挡可以满足转速需求；在双电机可换挡区，两个挡位都可以满足车辆的行驶需求，需要制定换挡规律。由步骤2获得两个挡位分别的驱动系统效率表后，可以根据经济性需求制定换挡策略。

对于双电机可换挡区的每一个工作点，如图4所示，根据步骤2得到的各个挡位的驱动系统效率最优的转矩分配表及其驱动系统效率表，查表对比相同工作点两个挡位的驱动系统效率值，选择使驱动系统效率值更高效的挡位。所有工作点选择挡位后，两个挡位的边界也即两个挡位效率相等的工作点，连线得到双参数经济性换挡规律的升档线。

为防止车辆在踏板开度和车速变化时频繁换挡，降挡线和升挡线间需要有一定的速度延迟，因而换挡此策略需考虑动力性能的降挡线。将双电机可换挡区的需求转矩对应到加速踏板开度，得到双参数经济性换挡规律。

所述降档线设计原则为：(1)降档速度低于升档速度4～8km/h；(2)升、降挡速度差随踏板开度增加而增加。

步骤4：

对于有条件采用双电机驱动方式的工作点，对于任意车速和加速踏板开度，根据步骤3得到的所述换挡规律，可以判断应当选择的挡位。继而，可以计算驱动系统输出轴的需求转矩。根据车速可以计算得到驱动系统输出轴的转速。根据驱动系统输出轴转速、需求转矩和挡位，以及步骤2得到的驱动系统效率最优的转矩分配表，得到驱动电机和工作电机的输出转矩。

对于单电机驱动方式的工作点，对于任意车速和加速踏板开度，根据步骤3得到的换挡规律，判断应当选择的挡位，继而，可以计算驱动系统输出轴的需求转矩。根据车速可以计算得到驱动系统输出轴的转速。根据驱动系统输出轴转速、需求转矩和挡位，以及步骤2得到的驱动系统效率最优的转矩分配表，得到驱动电机的输出转矩。

将该策略应用在基于Matlab/Simulink建立整车动力学仿真平台中，验证双电机变速箱驱动协同控制策略的可行性和能耗经济性。基于Matlab进行仿真运算，得到两个挡位的两张转矩分配表图5，图6所示；两张驱动系统效率表如图7，图8所示。在图7和图8中，驱动系统的效率为两电机和包括变速箱、行星排在内的传动机构组成的驱动系统的效率。对于每个挡位，驱动系统效率最高都可以达到91％以上。

根据双电机变速箱驱动系统构型，对于两个挡位，分别得出双电机转矩分配表和驱动系统效率表。对于驱动系统的每一个工作点，对比分析两个挡位的驱动系统效率，得到双参数经济性换挡规律，再根据转矩分配表，得到双电机变速箱驱动系统协同控制策略。双参数经济性换挡规律如图9所示，双电机转矩分配策略如图10所示，驱动系统效率如图11所示。根据仿真验证结果，在C-WTVC工况下，该策略下车辆的百公里电耗为76.15kWh/百公里，较同构型单电机驱动策略，百公里电耗显著降低，可以验证该协同控制策略的可行性和能耗经济性。

Claims (10)

1.一种双电机变速箱驱动系统协同控制策略，其特征在于：

所述驱动系统包括驱动电机、变速箱和作业电机，作业电机有且只有在非作业工况时作为辅助电机参与驱动车辆行驶；驱动电机经过变速箱后与作业电机耦合驱动车辆行驶；

对于有条件采用双电机驱动方式的工作点，离线获取各个挡位下的驱动系统效率最优的转矩分配表及其驱动系统效率表；

对于驱动系统的每一个工作点，根据前述离线获取的各个挡位下的驱动系统效率最优的转矩分配表及其驱动系统效率表，查表对比相同工作点各挡位的驱动系统效率值，选择使驱动系统效率值更高效的挡位；

对于任意车速和加速踏板开度，根据前述选择的挡位，计算驱动系统输出轴的需求转矩；根据车速、驱动系统输出轴的需求转矩和前述选择的挡位，以及前述选择的挡位下的所述驱动系统效率最优的转矩分配表，得到驱动电机和工作电机的输出转矩。

2.如权利要求1所述的控制策略，其特征在于：转矩分配表是驱动系统输出轴转速、驱动系统输出轴的需求转矩和驱动电机的输出转矩的关系。

3.如权利要求1所述的控制策略，其特征在于：降挡线和升挡线间需要有一定的速度延迟，降档速度低于升档速度4～8km/h；升、降挡速度差随踏板开度增加而增加。

4.如权利要求1所述的控制策略，其特征在于：离线获取各个挡位下的驱动系统效率最优的转矩分配表及其驱动系统效率表的方法为：

对于有条件采用双电机驱动方式的工作点，对变速箱的每个挡位，计算驱动电机固定转速间隔下的每一个驱动系统输出轴转速，从而计算作业电机的对应转速；

在加速踏板开度0-1范围内，对每个挡位，以需求转矩固定转矩间隔划分出每一个驱动系统输出轴的需求转矩点，并计算每一个所述驱动系统输出轴的需求转矩点的值；以固定转速间隔划分出每一个驱动系统输出轴转速点；

各挡位的各驱动系统输出轴的需求转矩点和各驱动系统输出轴转速点相互对应构成需要计算的全部驱动系统工作点；

对每一个驱动系统工作点，以驱动系统效率最高为目标，以驱动电机固定转矩间隔不断改变驱动电机输出转矩，计算对应的作业电机的输出转矩，从而根据驱动电机和作业电机各自的驱动效率map图，计算每个挡位时驱动系统在当前工作点的驱动系统效率；

将全部工作点的寻优结果列表，得到各个挡位下的能耗经济性最优的驱动系统效率最优的转矩分配表及其驱动系统效率表。

5.如权利要求4所述的控制策略，其特征在于：驱动系统输出轴需求转矩固定转矩间隔是10Nm，所述驱动系统输出轴转速固定转速间隔是100rpm，驱动电机固定转矩间隔是1Nm。

6.如权利要求4所述的控制策略，其特征在于：在对每个工作点寻优时，以能耗经济性为目标建立的优化模型如下式所示：

其中，η为驱动系统效率，T_d为输出轴转矩，单位Nm；n_d为输出轴转速，单位rpm；T₁，T₂分别为驱动电机和作业电机的输出转矩，单位Nm；n₁，n₂分别为驱动电机和作业电机的输出转速，单位rpm；η₁，η₂分别为驱动电机和作业电机在各自转速、输出转矩下的效率。

7.如权利要求1所述的控制策略，其特征在于：所述驱动系统还包括行星排，所述驱动系统的两个输入轴分别是两个电机的输出轴，驱动系统的输出轴连接在行星排的齿圈上；作业电机与太阳轮连接，经由行星轮将转矩加载在所述行星排的齿圈上，驱动电机经过两档的所述变速箱将转矩加载在所述行星排的齿圈上。

8.如权利要求1所述的控制策略，其特征在于：车速0-90km/h范围内有条件采用双电机驱动方式，车速90-100km/h时采用单驱动电机驱动方式。

9.一种可读存储介质，其包括程序，其特征在于所述程序执行如权利要求1-8任一项所述的控制策略。

10.一种纯电动商用车，其特征在于使用如权利要求1-8任一项 所述的控制策略。

Images