CN112078562A - 一种电动汽车双电机并联效率最优控制方法 - Google Patents

一种电动汽车双电机并联效率最优控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车双电机并联效率最优控制方法，属于多电机协同控制领域。本发明通过效率最优转矩分配算法，保证并联的双模块电机同时工作在额定转速附近，使系统整体效率提高。同时，本发明所述的控制策略可以利用车内温度传感器对电机温度信息进行采集，并基于此进行电机效率校正，使得双电机驱动系统在不同工作温度下均可以工作在效率最优的工作模式。本发明通过效率最优转矩分配算法，保证并联的双模块电机同时工作在额定转速附近，使系统整体效率提高。还可以利用车内温度传感器对电机温度信息进行采集，并基于此进行电机效率校正，使得双电机驱动系统在不同工作温度下均可以工作在效率最优的工作模式，解决了现有技术存在的不足。

Description

一种电动汽车双电机并联效率最优控制方法
技术领域
本发明涉及一种电动汽车双电机并联效率最优控制方法，属于多电机协同控制领域。
背景技术
电动汽车可以解决日益严峻的能源危机与环境污染问题。凭借其自身零排放、无污染的特点，电动汽车引起了国内外众多企业和研究机构的重视。随着电动汽车的发展，其对电机性能需求的不断提高，传统的单电机驱动系统已无法同时满足整车系统对低速大转矩、高速大功率的需求，而模块化级联电机系统则可以有效地解决上述问题。
双电机级联驱动控制系统作为模块化级联电机系统的重要组成部分，可以通过两个性能不同的电机的配合，匹配出更为适合电动汽车整车需求的系统。单个电机的高效运行区是由电机设计决定，电机设计完成后无法改变，且不受传动系统速比的变化的影响。当电动汽车整车控制系统所需求的电机功率一定时，高效运行区处于高转速区域则能提供的转矩输出会下降。双电机级联系统相较于单电机驱动系统而言，具有更优的系统外特性以及更好的节能潜力。
目前，国内外学者围绕双电机并联系统的控制问题展开了相关研究。但是，现有技术重点关注对系统外特性的优化及电机工作点的分布，控制策略复杂度高且耗时多。另一方面，现有控制策略忽略了电机温升对电机运行工况及效率的影响，在实际应用中，由于温升对电机效率影响，现有控制策略无法使双电机工作效率最优的工作模式，这增加了系统的损耗，降低了效率。
发明内容
本发明的目的是提出一种电动汽车双电机并联效率最优控制方法，通过效率最优转矩分配算法，保证并联的双模块电机同时工作在额定转速附近，使系统整体效率提高。同时，本发明所述的控制策略可以利用车内温度传感器对电机温度信息进行采集，并基于此进行电机效率校正，使得双电机驱动系统在不同工作温度下均可以工作在效率最优的工作模式，解决了现有技术存在的不足。
一种电动汽车双电机并联效率最优控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
步骤一、通过车内温度传感器对电机绕组的温度信息采集，基于温度信息计算电机的铜损；
步骤二、基于铜损的计算结果，根据电机效率预估方法，建立每个模块化电机的效率map图，并根据电机效率map图制作转矩-转速效率表，得到模块化电机在不同工作点时的电机效率；
步骤三、假设第二台电机的最大允许转速nmax2大于第一台电机的最大允许转速nmax1，对整车控制器输入的车辆所需的转矩信号Tneed和转速信号nneed进行判断，若nneed超出第一台电机的转速上限nmax1，则系统采用单电机运行模式：仅运行第二台电机，第一台电机不工作，此时T2＝Tneed，ηtotal＝η2，其中；T2和η2分别表示第二台模块化电机的单独运行时的输出转矩和效率，ηtotal表示系统的总效率；
步骤四、若转速信号nneed满足两台电机可以同时运行的工作条件，即：nneed≤nmax1，初始化两台并联的模块化电机的转矩及系统效率，令T1＝Tneed-T2，T2＝Tneed，ηtotal＝0，其中T1表示第一台模块化电机的单独运行的输出转矩；
步骤五、通过查询两个电机的转矩-转速效率表，利用效率计算公式计算出双电机并联运行在工作点时的系统效率ηtotal；所述的效率计算公式满足：
Figure BDA0002653570330000021
式中，k表示计算步长，满足k＝1,2,3…,N；N表示循环长度；η1(k)和η2(k)分别表示两台电机在不同工作点时的效率；Ω1(k)和Ω2(k)分别表示两台电机在不同工作点时的角速度；
步骤六、存储计算出的效率，基于仿真步长△T，令T2＝Tneed-△T，T1＝Tneed-T2，重新查询两个电机的转矩-转速效率表，计算新的系统效率；
步骤七、将计算出的效率与系统储存的效率进行比较，选择系统效率较高的值及相应的转矩分配值进行储存；
步骤八、判断所有可能性是否计算完成，若完成则输出存储的系统最高效率及相应的转矩分配值，若未完成则继续根据仿真步长△T完成两台电机的效率计算循环，直至全部循环结束后输出结果。
进一步的，在步骤一中，所述不同温度下铜损的计算方法如下：
铜耗的计算公式如下：
PCu＝3·I2·r (2)
式中r表示绕组的内阻。
进一步的，在-50℃～+200℃的温度区间内，绕组的电阻系数随温度的变化近似呈线性，因此不同温度下绕组电阻的计算公式满足：
Figure BDA0002653570330000031
式中t表示绕组的温度，k1，k2，k3为常数。
进一步的，在步骤八中，若输出结果中存在其中一台电机输出转矩为零的情况，则规定此时将该电机关闭，跟随系统同轴转动；在高速行驶时，若整车控制器输入的转速信号nneed超出低速电机转速上限，则通过离合器将低速电机从轴上脱离开，仅运行高速电机。
本发明的主要优点是：本发明所述的一种电动汽车双电机并联效率最优控制方法，保证并联的双模块电机可以同时工作在额定转速附近，使系统整体效率提高。本发明可以搜索所有的转矩分配可能性，只要转矩步长足够小，可以很精确的搜寻出系统效率最大点，并获得全局效率最优时系统对应的转矩分配解。同时，本发明所述的控制策略将电机效率map图制作转矩-转速效率表，简化了循环比较过程，提高了计算速度和实时性，解决了现有控制策略中实时响应较差的不足。另一方面，本发明所述的控制方法可以利用车内温度传感器对电机温度信息进行采集，并基于此进行电机效率map图的校正，避免了电机温升对控制策略产生影响，使得并联的双电机可以实时工作在效率最优的工作模式下。
附图说明
图1为双电机并联时的机械拓扑结构示意图；
图2为并联式双电机系统的电动汽车拓扑结构示意图；
图3为双电机并联驱动控制系统的原理框图；
图4为本发明的一种电动汽车双电机并联效率最优控制方法的流程图。
具体的，1为机壳；21为模块化驱动电机定子；22为模块化驱动电机转子；23为模块化驱动电机转轴；24为定子绕组；31为第一齿轮；32为中心齿轮；33为第二齿轮；4为输出轴；5为车载电池；6为温度传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明目的是为了解决现有双电机并联驱动控制系统中效率较低的问题，提出了一种电动汽车双电机并联效率最优控制策略。下面结合图1-图4说明本发明的具体实施方式。
本发明所述的并联式双电机系统的机械拓扑结构示意图如图1所示，将单个电机作为一个模块。每个模块化电机包括机壳1、模块化驱动电机定子21、模块化驱动电机转子22、模块化驱动电机转轴23和定子绕组24。两台模块化电机的转轴分别与第一齿轮31和第二齿轮33连接，并通过由第一齿轮31、第二齿轮33和中心齿轮32构成的齿轮箱来实现两台模块化电机的并联，共同向输出轴4耦合转矩。输出轴4的输出转矩等于两台电机转矩的叠加，通过控制两台电机的转矩分配，保证并联的双模块电机可以同时工作在额定转速附近，从而实现提高系统整体效率的目的。
在驱动层面，基于并联式双电机系统的电动汽车拓扑结构示意图如图2所示，每台电机均由独立的三桥臂逆变器驱动。其中两个独立的逆变器输入直流电压由车载电池5提供。实际应用中，通过控制器给两个独立逆变器传递不同的控制信号，实现两台电机的协同工作。
双电机系统的控制尤其是转矩分配方法影响着整个系统的性能，如何实现双电机系统效率最优控制，对提升电动汽车效率和经济性具有重要意义。双电机并联驱动控制系统的原理框图如图3所示，整车控制器将温度传感器6采集到的电机温度信号、车载电池SOC信号、电机转矩转速信号灯进行分析判断，针对爬行模式、行车模式、和倒车模式等不同情况采用不同的控制策略，实现整车行驶需求，采用相应转矩分配策略，向两台电机传递对应的控制信号，完成双电机最大效率控制，节省能源。
参照图4所示，为了提高并联式双电机系统在车辆运行过程中的总体效率，本发明提出了一种电动汽车双电机并联效率最优控制方法。本发明所述的电动汽车双电机并联效率最优控制方法分为以下8个基本步骤：
步骤一、通过车内温度传感器对电机绕组的温度信息采集，基于温度信息计算电机的铜损；
步骤二、基于损耗的计算结果，根据电机效率预估方法，建立每个模块化电机的效率map图，并将电机效率map图制作转矩-转速效率表，得到模块化电机在不同工作点时的电机效率；
步骤三、对整车控制器输入的车辆所需的转矩信号Tneed和转速信号nneed进行判断，若nneed超出第一台电机的转速上限nmax1(假设第二台电机的最大允许转速nmax2大于第一台电机的最大允许转速nmax1)，则系统采用单电机运行模式：仅运行第二台电机，第一台电机不工作，此时T2＝Tneed，，ηtotal＝η2，其中；T2和η2分别表示第二台模块化电机的单独运行时的输出转矩和效率，ηtotal表示系统的总效率；
步骤四、若转速信号nneed满足两台电机可以同时运行的工作条件，即：nneed≤nmax1，初始化两台并联的模块化电机的转矩及系统效率，令T1＝Tneed-T2，T2＝Tneed，ηtotal＝0，其中T1表示第一台模块化电机的单独运行的输出转矩；
步骤五、通过查询两个电机的转矩-转速效率表，利用效率计算公式计算出双电机并联运行在工作点时的系统效率ηtotal；所述的效率计算公式满足：
Figure BDA0002653570330000051
式中，k表示计算步长，满足k＝1,2,3…,N；N表示循环长度；η1(k)和η2(k)分别表示两台电机在不同工作点时的效率；Ω1(k)和Ω2(k)分别表示两台电机在不同工作点时的角速度；
步骤六、存储计算出的效率，基于仿真步长△T，令T2＝Tneed-△T，T1＝Tneed-T2，重新查询两个电机的转矩-转速效率表，计算新的系统效率；
步骤七、将计算出的效率与系统储存的效率进行比较，选择系统效率较高的值及相应的转矩分配值进行储存；
步骤八、判断所有可能性是否计算完成，若完成则输出存储的系统最高效率及相应的转矩分配值，若未完成则继续根据仿真步长△T完成两台电机的效率计算循环，直至全部循环结束后输出结果。
在步骤一中，所述不同温度下铜损的计算方法如下：
电机损耗主要包括机械损耗，铜损和铁损组成；由于润滑剂的黏度在0℃以上其变化幅度不大，因此温度对机械损耗的影响较小；而绕组的温度对铜损的影响较大，因此本专利所述的控制策略主要分析温度变化时铜损对效率的影响。铜耗的计算公式如下：
PCu＝3·I2·r (5)
式中r表示绕组的内阻。
在-50℃～+200℃的温度区间内，绕组的电阻系数随温度的变化近似呈线性，因此不同温度下绕组电阻的计算公式满足：
Figure BDA0002653570330000061
式中t表示绕组的温度，系数k1，k2，k3与电机参数设计有关，电机设计完成后，可以认定k1，k2，k3为常数。基于温度传感器采集到的电机绕组温度t，可以计算出不同温度下电机的铜损。
在步骤八中，若输出结果中存在其中一台电机输出转矩为零的情况，则规定此时将该电机关闭，跟随系统同轴转动；在高速行驶时，若整车控制器输入的转速信号nneed超出低速电机(第一台电机)转速上限，则通过离合器将低速电机从轴上脱离开，仅运行高速电机(第二台电机)。

Claims (4)

1.一种电动汽车双电机并联效率最优控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
步骤一、通过车内温度传感器对电机绕组的温度信息采集，基于温度信息计算电机的铜损；
步骤二、基于铜损的计算结果，根据电机效率预估方法，建立每个模块化电机的效率map图，并根据电机效率map图制作转矩-转速效率表，得到模块化电机在不同工作点时的电机效率；
步骤三、假设第二台电机的最大允许转速nmax2大于第一台电机的最大允许转速nmax1，对整车控制器输入的车辆所需的转矩信号Tneed和转速信号nneed进行判断，若nneed超出第一台电机的转速上限nmax1，则系统采用单电机运行模式：仅运行第二台电机，第一台电机不工作，此时T2＝Tneed，ηtotal＝η2，其中；T2和η2分别表示第二台模块化电机的单独运行时的输出转矩和效率，ηtotal表示系统的总效率；
步骤四、若转速信号nneed满足两台电机可以同时运行的工作条件，即：nneed≤nmax1，初始化两台并联的模块化电机的转矩及系统效率，令T1＝Tneed-T2，T2＝Tneed，ηtotal＝0，其中T1表示第一台模块化电机的单独运行的输出转矩；
步骤五、通过查询两个电机的转矩-转速效率表，利用效率计算公式计算出双电机并联运行在工作点时的系统效率ηtotal；所述的效率计算公式满足：
Figure FDA0002653570320000011
式中，k表示计算步长，满足k＝1,2,3…,N；N表示循环长度；η1(k)和η2(k)分别表示两台电机在不同工作点时的效率；Ω1(k)和Ω2(k)分别表示两台电机在不同工作点时的角速度；Pout表示输出功率，Pin表示输入功率，输出功率与输入功率的比值表示效率；
步骤六、存储计算出的效率，基于仿真步长△T，令T2＝Tneed-△T，T1＝Tneed-T2，重新查询两个电机的转矩-转速效率表，计算新的系统效率；
步骤七、将计算出的效率与系统储存的效率进行比较，选择系统效率较高的值及相应的转矩分配值进行储存；
步骤八、判断所有可能性是否计算完成，若完成则输出存储的系统最高效率及相应的转矩分配值，若未完成则继续根据仿真步长△T完成两台电机的效率计算循环，直至全部循环结束后输出结果。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车双电机并联效率最优控制方法，其特征在于，在步骤一中，所述不同温度下铜损的计算方法如下：
铜耗的计算公式如下：
PCu＝3·I2·r (2)
式中r表示绕组的内阻。
3.根据权利要求2所述的一种电动汽车双电机并联效率最优控制方法，其特征在于，在-50℃～+200℃的温度区间内，绕组的电阻系数随温度的变化近似呈线性，因此不同温度下绕组电阻的计算公式满足：
Figure FDA0002653570320000021
式中t表示绕组的温度，k1，k2，k3为常数。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车双电机并联效率最优控制方法，其特征在于，在步骤八中，若输出结果中存在其中一台电机输出转矩为零的情况，则规定此时将该电机关闭，跟随系统同轴转动；在高速行驶时，若整车控制器输入的转速信号nneed超出低速电机转速上限，则通过离合器将低速电机从轴上脱离开，仅运行高速电机。
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