CN111942160B - 一种基于电机铁损模型的电动汽车制动优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于电机铁损模型的电动汽车制动优化控制方法，该方法包括再生制动介入判断、需求制动力F_req和最大制动力F_max计算、再生制动力和机械制动力分配步骤。根据永磁同步电机的铁损模型，将电机制动状态分为能量回馈状态和能量消耗状态，只有在电机处于能量回馈状态时才能进入再生制动；当需求制动力F_req小于电机最大制动力F_max时，由铁损模型计算得到永磁同步电机回收最大功率时的电磁制动力F_rgb，电机再生制动提供的制动力为F_em＝min(F_req，F_rgb)。本发明可以保证在电动汽车制动时有效的回馈电能，且使电机最大程度回收制动能量，提高车辆续时里程。

Description

一种基于电机铁损模型的电动汽车制动优化控制方法

技术领域

本发明属于汽车研究领域，具体涉及一种基于电机铁损模型的电动汽车制动优化控制方法。

背景技术

近年来，随着人们对于环境问题的关注，新能源汽车得到了大力发展。其中，制动能量回收技术是提高电动汽车和混合动力汽车能量利用率的重要手段。

目前，在已有的针对制动能量回收方案的研究中，多忽略电机本身的电磁特性和机械特性，电机的制动状态可分为能量回馈制动和能量消耗制动，只有在能量回馈状态电池才能回收能量。如中国专利号CN108263216A，公布日2016-07-10，提出一种轮毂电机驱动汽车的再生制动方法，但该发明在纯电动制动模式下未考虑能量消耗制动的情况。在电机的能量回馈制动状态，当转速一定时，可通过控制制动扭矩使能量回收效率最高，但在目前已有的专利中对这一部分的考虑较少，如中国专利号CN109278566A，公布日2019-01-29；中国专利号CN102923128A，公布日2013-02-13，针对这些发明提出的汽车再生制动系统控制方法，在电机进行能量回收的时候均未考虑能量回馈效率，再生制动系统并不能最大程度的回收汽车制动时所损耗的能量。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出的一种基于电机铁损模型的电动汽车制动优化控制方法，具体包括下述步骤：

步骤1、当车辆进入制动状态，整车控制器接收电机的电压电流信号、动力电池状态信号、车速信号，判断是否采取再生制动方式进行制动，具体的判断条件为：

(1)整车控制器计算出所需的制动强度，当制动强度小于设定值，则判断满足再生制动条件，反之判断为进行紧急制动，采取机械制动方式进行制动；

(2)当动力电池的荷电状态SOC小于设定值且动力电池温度小于报警温度，则判断满足再生制动条件；

(3)当车速信号与电机的电流信号满足电机回馈制动条件，且电机的合成电压大于电池端电压，则判断满足再生制动条件，具体为：

其中，ω_e为电机的电角速度，针对轮毂电机独立驱动的电动汽车，ω_e与车轮转速ω的关系满足ω_e＝pω，p为永磁同步电机极对数；i_d、i_q分别为电机的d、q轴电流；ω_min为当前电流状态下的电机能够回馈能量的最小转速；u_d、u_q分别为d-q轴系下的电压分量；U_dc为动力电池端电压；

步骤2、整车控制器计算出总需求制动力，制动力分配系统根据理想制动力分配得到单轮的需求制动力F_req，根据此车速下电机所能提供的最大制动力F_max，分配再生制动与机械制动力，具体情况为：

情况1：当需求制动力F_req小于电机最大制动力F_max时，根据永磁同步电机的铁损模型，计算得到永磁同步电机回收最大功率时的电磁制动力F_rgb，电机再生制动提供的制动力为F_em＝min(F_req，F_rgb)，电磁制动力F_rgb的具体求解步骤为：

(1)当电机稳态制动时，电机的输入功率可以表示为：

其中，d-q轴上的扭矩电流i_dt、i_qt与i_d、i_q满足关系：

式中，u_d、u_q分别为d-q轴系下的电压分量；i_dt、i_qt分别为d-q轴系下的扭矩电流分量；ψ_f为电机的永磁体磁链；R_c为电机的定子电阻；R_f为铁损电阻；L_d、L_q分别为d-q轴上的电感；

(2)当电机采用最大转矩电流比的控制方法时，i_d、i_q满足关系：

同时，电机的输出电磁转矩可以表示为：

(3)进一步，电机的输入功率可以表示为输出电磁转矩T_e和电机的电角速度ω_e的函数，当电机的电角速度一定时，输出转矩满足下式即可使电机制动回收功率最大：

保证制动回收最大功率时的电磁制动力F_rgb为：

式中，r为车轮半径；

情况2、当需求制动力F_req大于或等于电机最大制动力F_max时，电机再生制动提供的制动力为F_em＝F_max，剩余的制动力由机械制动力提供；

步骤3、电机控制器和机械制动控制器接收整车控制器的制动力信息，进行再生制动能量回收。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

(1))该发明从永磁同步电机的电磁特性角度出发，给出能量回馈制动和能量消耗制动两种制动状态的切换边界和条件，以保证在电机制动时有效的回馈电能，避免能量损耗；

(2)该发明在电机进行再生制动状态时，通过给定电机控制器合理的需求回馈制动力，保证电机以最大程度回收制动能量，减少因电机需求不合理造成的能量损失，进而提高车辆的续驶里程。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明提出的制动优化控制方法流程图；

图2为本发明提出的考虑铁损的永磁同步电机等效电路图；

图3为本发明提出的永磁同步电机制动状态的电压矢量图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更细致的描述：

为了提高新能源汽车再生制动时的能量回馈效率，充分利用电机在能量回馈制动状态的馈电能力，本发明提出一种基于电机铁损模型的电动汽车制动优化控制方法，如图1所示，具体包括步骤如下：

步骤1、当车辆进入制动状态，整车控制器接收电机的电压电流信号、动力电池状态信号、车速信号，判断是否采取再生制动方式进行制动，具体的判断条件为：

(1)整车控制器计算出所需的制动强度，当制动强度小于设定值，则判断满足再生制动条件，反之判断为进行紧急制动，采取机械制动方式进行制动；

(2)当动力电池的荷电状态SOC小于设定值且动力电池温度小于报警温度，则判断满足再生制动条件；

(3)当车速信号与电机的电流信号满足电机回馈制动条件，且电机的合成电压经DCDC升压后的值大于电池端电压，则判断满足再生制动条件，具体为：

根据考虑铁损电阻的永磁同步电机等效电路图，如图2所示，得到稳态条件下的电压方程为：

其中，u_d、u_q分别为d-q轴系下的电压分量；ω_e为电机的电角速度，针对轮毂电机独立驱动的电动汽车，ω_e与车轮转速ω的关系满足ω_e＝pω，p为永磁同步电机极对数；R_c为电机的定子电阻；L_d、L_q分别为d-q轴上的电感；i_d、i_q分别为电机的d、q轴电流；i_dt、i_qt分别为d-q轴系下的扭矩电流分量；E为电机反电动势，可以表示为E＝ω_eψ_f；

由式(1)可得电机在回馈制动状态和能耗制动状态的电压矢量图，如图3所示，当电机的转速较低，即反电动势E较小，不足以提供制动所需电流，则输入功率为正，电池向电机输出能量以保证制动需求，此时电机处于能耗制动状态。因此满足电机回馈制动条件的关系式为：

其中，ω_min为当前电流状态下的电机能够回馈能量的最小转速；U_dc为动力电池端电压；

步骤2、整车控制器计算出总需求制动力，制动力分配系统根据理想制动力分配得到单轮的需求制动力F_req，根据此车速下电机所能提供的最大制动力F_max，分配再生制动与机械制动力，具体情况为：

情况1：当需求制动力F_req小于电机最大制动力F_max时，根据永磁同步电机的铁损模型，计算得到永磁同步电机回收最大功率时的电磁制动力F_rgb，电机再生制动提供的制动力为F_em＝min(F_req，F_rgb)，电磁制动力F_rgb的具体求解步骤为：

(1)当电机稳态制动时，电机的输入功率可以表示为：

其中，d-q轴上的扭矩电流i_dt、i_qt与i_d、i_q满足关系：

式中，u_d、u_q分别为d-q轴系下的电压分量；i_dt、i_qt分别为d-q轴系下的扭矩电流分量；ψ_f为电机的永磁体磁链；R_f为铁损电阻；

(2)当电机采用最大转矩电流比的控制方法时，i_d、i_q满足关系：

同时，电机的输出电磁转矩可以表示为：

(3)进一步，电机的输入功率可以表示为输出电磁转矩T_e和电机的电角速度ω_e的函数，当电机的电角速度一定时，输出转矩满足下式即可使电机制动回收功率最大：

保证制动回收最大功率时的电磁制动力F_rgb为：

式中，r为车轮半径；

情况2、当需求制动力F_req大于或等于电机最大制动力F_max时，电机再生制动提供的制动力为F_em＝F_max，剩余的制动力由机械制动力提供；

步骤3、电机控制器和机械制动控制器接收整车控制器的制动力信息，进行再生制动能量回收。

Claims (1)

1.一种基于电机铁损模型的电动汽车制动优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、当车辆进入制动状态，整车控制器接收电机的电压电流信号、动力电池状态信号、车速信号，判断是否采取再生制动方式进行制动，具体的判断条件为：

(1)整车控制器计算出所需的制动强度，当制动强度小于设定值，则判断满足再生制动条件，反之判断为进行紧急制动，采取机械制动方式进行制动；

(2)当动力电池的荷电状态SOC小于设定值且动力电池温度小于报警温度，则判断满足再生制动条件；

(3)当车速信号与电机的电流信号满足电机回馈制动条件，且电机的合成电压大于电池端电压，则判断满足再生制动条件，具体为：

其中，ω_e为电机的电角速度，针对轮毂电机独立驱动的电动汽车，ω_e与车轮转速ω的关系满足ω_e＝pω，p为永磁同步电机极对数；i_d、i_q分别为电机的d、q轴电流；ω_min为当前电流状态下的电机能够回馈能量的最小转速；u_d、u_q分别为d-q轴系下的电压分量；U_dc为动力电池端电压；

步骤2、整车控制器计算出总需求制动力，制动力分配系统根据理想制动力分配得到单轮的需求制动力F_req，根据此车速下电机所能提供的最大制动力F_max，分配再生制动与机械制动力，具体情况为：

情况1：当需求制动力F_req小于电机最大制动力F_max时，根据永磁同步电机的铁损模型，计算得到永磁同步电机回收最大功率时的电磁制动力F_rgb，电机再生制动提供的制动力为F_em＝min(F_req，F_rgb)，电磁制动力F_rgb的具体求解步骤为：

(1)当电机稳态制动时，电机的输入功率可以表示为：

其中，d-q轴上的扭矩电流i_dt、i_qt与i_d、i_q满足关系：

式中，u_d、u_q分别为d-q轴系下的电压分量；i_dt、i_qt分别为d-q轴系下的扭矩电流分量；ψ_f为电机的永磁体磁链；R_c为电机的定子电阻；R_f为铁损电阻；L_d、L_q分别为d-q轴上的电感；

(2)当电机采用最大转矩电流比的控制方法时，i_d、i_q满足关系：

同时，电机的输出电磁转矩可以表示为：

(3)进一步，电机的输入功率可以表示为输出电磁转矩T_e和电机的电角速度ω_e的函数，当电机的电角速度一定时，输出转矩满足下式即可使电机制动回收功率最大：

保证制动回收最大功率时的电磁制动力F_rgb为：

式中，r为车轮半径；

情况2、当需求制动力F_req大于或等于电机最大制动力F_max时，电机再生制动提供的制动力为F_em＝F_max，剩余的制动力由机械制动力提供；

步骤3、电机控制器和机械制动控制器接收整车控制器的制动力信息，进行再生制动能量回收。

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