CN112339573B - 一种基于数学建模的纯电动汽车驱动控制策略优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数学建模的纯电动汽车驱动控制策略优化方法，包括步骤：驾驶意图分析模型根据加速踏板传感器数据计算加速踏板的开度值以及开度变化率；驱动模式分析模型根据采集的数据选择对应的动力驱动模式；转矩计算模型计算需求电机转矩，并且判断动力驱动模式是否发生转换以及需求电机转矩是否大于阈值，若是，则对需求电机转矩进行顺序划分，将需求电机转矩划分成若干个由小至大的点值并依次输出至指令生成模型；指令生成模型根据点值依次向电机控制器发送对应的转矩指令。本发明有效削弱了动力驱动模式转换而引起的转矩突变，从而提高了车辆的平顺性，给驾驶员带来更好的驾驶体验的同时，有利于延长电机的寿命。

Description

一种基于数学建模的纯电动汽车驱动控制策略优化方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车技术领域，特别是涉及一种基于数学建模的纯电动汽车驱动控制策略优化方法。

背景技术

目前，世界上的主要能源资源包括石油、煤炭、天然气、铁矿等，这些资源都属于不可再生资源，而太阳能、风能、水能等属于可再生资源。随着不可再生资源的长时间开采，能源枯竭问题已经成为摆在全人类面前的迫在眉睫的问题，新能源的开发和利用逐渐被世界各国所重视。

汽车是目前人类利用的最多的交通工具，随着汽车行业的不断发展，中国的汽车数量不断攀升，随之而来的石油消耗问题和环境保护问题也日益突出，因此新能源汽车应运而生。纯电动汽车属于新能源汽车中的一种，相比于传统的燃油汽车，纯电动汽车由于其具有高效节能、零污染排放等优点，因此在新能源汽车中脱颖而出，并已经成为现阶段内新能源汽车的发展和汽车工业转型的主要战略方向。

对于纯电动汽车而言，整车控制器是其核心内容，而整车控制器又分为硬件部分和软件部分，其中软件部分即整车控制策略是整车控制器的最重要的控制部分，是保证满足驾驶员的驾驶意图、提高车辆的续航里程、保证汽车行驶的动力性与平顺性等技术性能的核心部分。目前纯电动汽车的整车控制策略通常包括驱动控制策略、制动能量回馈控制策略以及整车能量优化控制策略等，其中驱动控制策略是实现车辆在任何时刻都能获得最佳转矩控制的策略。纯电动汽车的驱动控制策略必须适应于不同驱动模式下的控制需求，然而在车辆实际控制过程中，在不同的驱动模式之间进行转换时，由于电机的实际转矩与需求转矩之间可能会存在较大的突变，因此导致不同的驱动模式之间的转换往往不够平缓，降低了车辆的平顺性，导致驾驶员在行驶过程中会有一定的顿挫感或者抖动感，严重影响了车辆的驾驶体验，而且如果电机长期工作在这种转矩突变的情况下，不利于延长电机的寿命。

发明内容

基于此，有必要针对纯电动汽车整车控制器的驱动控制策略在驱动模式转换时不够平缓，降低了车辆的平顺性的问题，提供一种基于数学建模的纯电动汽车驱动控制策略优化方法。

为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：

一种基于数学建模的纯电动汽车驱动控制策略优化方法，包括以下步骤：

采集电池剩余电量、车辆速度、制动管路压力、电机转速和加速踏板传感器数据；

将所述加速踏板传感器数据输入至建立的驾驶意图分析模型中，所述驾驶意图分析模型根据所述加速踏板传感器数据计算加速踏板的开度值以及开度变化率，并将所述开度值以及所述开度变化率输出至驱动模式分析模型；

将所述电池剩余电量、所述车辆速度、所述制动管路压力和所述电机转速分别输入至所述驱动模式分析模型，所述驱动模式分析模型根据所述开度值、所述开度变化率、所述电池剩余电量、所述车辆速度、所述制动管路压力和所述电机转速选择对应的动力驱动模式，并将选择的动力驱动模式输出至转矩计算模型，所述动力驱动模式为起步驱动模式、正常驱动模式、经济驱动模式、坡行驱动模式中的任意一种；

所述转矩计算模型计算在选择的动力驱动模式下的需求电机转矩，并且判断所述驱动模式分析模型选择的动力驱动模式是否发生转换以及所述需求电机转矩是否大于阈值，若是，则对所述需求电机转矩进行顺序划分，将所述需求电机转矩划分成若干个由小至大的点值，任意相邻的两个点值之间的差值相同，并将各个所述点值依次输出至指令生成模型；

所述指令生成模型根据所述点值依次向所述电机控制器发送对应的转矩指令；

所述电机控制器根据所述转矩指令计算对应的电机控制参数，并根据所述电机控制参数输出占空比受数字PID增量型控制律控制的PWM脉冲至电机；

当所述驱动模式分析模型选择的动力驱动模式为经济驱动模式时，所述转矩计算模型根据下式计算在经济驱动模式下的需求电机转矩T_需求：

T_需求＝L·T_Max

式中，T_Max为电机当前转速下的理论最大输出转矩，L为电机转矩负荷系数，且L＝f(S)，S为以百分比表示的加速踏板的开度值，通过以下步骤确定L＝f(S)的系数：

步骤一：确定电机高效工作区对应的电机转速；

步骤二：确定电池工作在高效放电区域时对应的车辆速度；

步骤三：在步骤一确定的电机转速和步骤二确定的车辆速度下进行采样，获得若干组采样数据，每一组采样数据包括需求电机转矩T_需求、电机当前转速下的理论最大输出转矩T_Max和加速踏板的开度值S；

步骤四：根据每一组采样数据中的需求电机转矩T_需求和电机当前转速下的理论最大输出转矩T_Max计算对应的电机转矩负荷系数L；

步骤五：对电机转矩负荷系数L和加速踏板的开度值S进行线性拟合，得到L＝f(S)的系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所提出的基于数学建模的纯电动汽车驱动控制策略优化方法利用驾驶意图分析模型计算加速踏板的开度值以及开度变化率，再利用驱动模式分析模型根据开度值、开度变化率、电池剩余电量、车辆速度、制动管路压力和电机转速选择对应的动力驱动模式，通过转矩计算模型计算动力驱动模式下的需求电机转矩，并在动力驱动模式发生转换以及计算的需求电机转矩超过阈值时，对需求电机转矩进行顺序划分，最后通过指令生成模型根据划分的点值依次向电机控制器发送对应的转矩指令，使得电机控制器根据转矩指令控制电机逐步达到需求电机转矩，有效削弱了动力驱动模式转换而引起的转矩突变，从而提高了车辆的平顺性，给驾驶员带来更好的驾驶体验的同时，有利于延长电机的寿命，而且电机控制器采用数字PID增量型控制律控制输出至PWM脉冲的占空比，进一步提高了电机转矩控制的平稳性和效率。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明一种基于数学建模的纯电动汽车驱动控制策略优化方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在其中一个实施例中，如图1所示，本发明提供了一种基于数学建模的纯电动汽车驱动控制策略优化方法，该方法包括以下步骤：

首先，采集电池剩余电量SOC、车辆速度V、制动管路压力P、电机转速v和加速踏板传感器数据，其中电池剩余电量可以通过电池管理系统(Battery management system，BMS)获得，车辆速度可以通过安装在车辆上的速度传感器测量获得，制动管路压力可以通过安装在制动管路上的压力传感器测量获得，电机转速可以通过传感器测量获得，例如利用光电传感器测量电机转速，其测量公式如下：

式中，v为电机转速，n为时间t内的脉冲数，N为传感器的圆盘边缘上的凹槽数。

建立驾驶意图分析模型，并将加速踏板传感器数据输入至驾驶意图分析模型中，驾驶意图分析模型根据加速踏板传感器数据计算加速踏板的开度值S以及开度变化率ΔS，并将开度值S以及开度变化率ΔS输出至驱动模式分析模型。在纯电动汽车驱动过程中，驾驶员主要是通过加速踏板来实现对电动汽车的控制，加速踏板的工作位置对应于开度值大小，反映了驾驶员的驾驶意愿，开度变化率则反映了驾驶员对于车辆加速的需求大小。

将电池剩余电量SOC、车辆速度V、制动管路压力P和电机转速v分别输入至驱动模式分析模型，驱动模式分析模型根据开度值S、开度变化率ΔS、电池剩余电量SOC、车辆速度V、制动管路压力P和电机转速v选择对应的动力驱动模式，并将选择的动力驱动模式输出至转矩计算模型，其中动力驱动模式为起步驱动模式、正常驱动模式、经济驱动模式、坡行驱动模式中的任意一种。驱动模式分析模型的数学表达式如下：

M_模式＝f(S,ΔS,SOC,V,P,v)

式中，M_模式为选择的动力驱动模式。

转矩计算模型计算在选择的动力驱动模式下的需求电机转矩，并且判断驱动模式分析模型选择的动力驱动模式是否发生转换以及需求电机转矩是否大于阈值，如果转矩计算模型判断驱动模式分析模型选择的动力驱动模式发生转换并且需求电机转矩大于预先设定的阈值，此时转矩计算模型对需求电机转矩进行顺序划分，将需求电机转矩划分成若干个由小至大的点值，例如，假设计算得到的需求电机转矩为25Nm，在进行顺序划分时，可以划分成5Nm、10Nm、15Nm、20Nm和25Nm五个点值，然后再将各个点值依次输出至指令生成模型。可选地，转矩计算模型对需求电机转矩进行顺序划分时，可以采用均匀划分方式，即保证任意相邻的两个点值之间的差值相同，划分的点值的数量可以根据需求电机转矩的大小进行设定，当需求电机转矩相对较大时，点值数量较多，反之，当需求电机转矩相对较小时，点值数量较少。

指令生成模型根据点值依次向电机控制器发送对应的转矩指令，指令生成模型的作用在于将接收的转矩计算模型输出的点值转换为对应的转矩指令，并将转矩指令按照时间顺序发送到电机控制器。

电机控制器根据接收到的转矩指令计算对应的电机控制参数，并根据电机控制参数输出占空比受数字PID增量型控制律控制的PWM脉冲至电机。PID控制是根据被控量的偏差大小和正负，通过一定的算法产生调节控制器的输出，实现对被控量的控制，PID控制是比例、积分、微分控制的简称，具有原理简单、适应性强、鲁棒性强的优点。本实施例中的电机控制器采用计算量更小、控制效率更高、占用存储单元更少的数字PID增量型控制律改变PWM脉冲的占空比，从而实现对电机转速的实时控制，亦即实现对电机转矩的实时控制。本实施例中数字PID增量型控制律的数学表达式为：

Δu(n)＝u(n)-u(n-1)

＝K_P[e(n)-e(n-1)]+K_Ie(n)+K_D[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]

式中，K_P为比例增益，K_I为积分系数，K_D为微分系数，e(n)为第n次控制偏差。

由于在同一个动力驱动模式下，需求电机转矩一般不会发生较大的突变，因此如果转矩计算模型判断驱动模式分析模型选择的动力驱动模式没有发生转换，或者转矩计算模型判断驱动模式分析模型选择的动力驱动模式发生转换但需求电机转矩小于阈值时，转矩计算模型将计算得到的需求电机转矩直接输出至指令生成模型，使指令生成模型根据需求电机转矩向电机控制器发送对应的转矩指令，电机控制器根据转矩指令计算对应的电机控制参数，并根据电机控制参数输出占空比受数字PID增量型控制律控制的PWM脉冲至电机。

本实施例所提出的基于数学建模的纯电动汽车驱动控制策略优化方法利用驾驶意图分析模型计算加速踏板的开度值以及开度变化率，再利用驱动模式分析模型根据开度值、开度变化率、电池剩余电量、车辆速度、制动管路压力和电机转速选择对应的动力驱动模式，通过转矩计算模型计算动力驱动模式下的需求电机转矩，并在动力驱动模式发生转换以及计算的需求电机转矩超过阈值时，对需求电机转矩进行顺序划分，最后通过指令生成模型根据划分的点值依次向电机控制器发送对应的转矩指令，使得电机控制器根据转矩指令控制电机逐步达到需求电机转矩，有效削弱了动力驱动模式转换而引起的转矩突变，从而提高了车辆的平顺性，给驾驶员带来更好的驾驶体验的同时，有利于延长电机的寿命，而且电机控制器采用数字PID增量型控制律控制输出至PWM脉冲的占空比，进一步提高了电机转矩变换的平稳性。

作为一种具体的实施方式，当驱动模式分析模型选择的动力驱动模式为起步驱动模式时，转矩计算模型还为计算得到的需求电机转矩设定电机转矩上限，当需求电机转矩大于电机转矩上限时，转矩计算模型将需求电机转矩的值修正为电机转矩上限的值。起步驱动模式是车辆由静止加速到具有一定速度的加速过程，在起步驱动模式下，电机转速较低，而且在电机转速低于电机基速时，电机将输出较大的恒定转矩，出于安全的角度考虑，为了避免在起步阶段由于电机转矩较大而导致车辆突然加速，在起步驱动模式下，转矩计算模型为计算得到的需求电机转矩设定一个电机转矩上限，且该电机转矩上限小于电机基速下输出的恒定转矩，当需求电机转矩超过该电机转矩上限时，转矩计算模型自动将需求电机转矩的值修正为电机转矩上限的值，从而达到主动减小电机输出转矩的目的，确保起步驱动模式下的行车安全。

作为一种具体的实施方式，当驱动模式分析模型选择的动力驱动模式为正常驱动模式时，转矩计算模型根据下式计算在正常驱动模式下的需求电机转矩T_需求：

T_需求＝L·T_Max

式中，T_Max为电机当前转速下的理论最大输出转矩(即额定转矩)，L为电机转矩负荷系数，且L＝S，S为以百分比表示的加速踏板的开度值。

在正常驱动模式下，电机转矩负荷系数L与加速踏板的开度值S相等，既能满足车辆正常行驶时所需的动力性，同时充分考虑到车辆的续航里程，兼顾纯电动汽车的动力性与经济性。

作为一种具体的实施方式，当驱动模式分析模型选择的动力驱动模式为经济驱动模式时，转矩计算模型根据下式计算在经济驱动模式下的需求电机转矩T_需求：

T_需求＝L·T_Max

式中，T_Max为电机当前转速下的理论最大输出转矩(即额定转矩)，L为电机转矩负荷系数，S为以百分比表示的加速踏板的开度值，且电机转矩负荷系数L与开度值S之间满足函数关系L＝f(S)，通过以下步骤确定L＝f(S)的系数：

步骤一：确定电机高效工作区对应的电机转速；

步骤二：确定电池工作在高效放电区域时对应的车辆速度；

步骤三：在步骤一确定的电机转速和步骤二确定的车辆速度下进行采样，获得若干组采样数据，每一组采样数据包括需求电机转矩T_需求、电机当前转速下的理论最大输出转矩T_Max和加速踏板的开度值S；

步骤四：根据每一组采样数据中的需求电机转矩T_需求和电机当前转速下的理论最大输出转矩T_Max计算对应的电机转矩负荷系数L；

步骤五：对电机转矩负荷系数L和加速踏板的开度值S进行线性拟合，确定L＝f(S)的系数。

作为一种具体的实施方式，利用CRUISE软件建立整车模型，利用Simulink软件建立整车控制策略模型，整车控制策略模型包括驾驶意图分析模型、驱动模式分析模型、转矩计算模型和指令生成模型，通过Simulink接口模块可以将驾驶意图分析模型、驱动模式分析模型、转矩计算模型和指令生成模型的逻辑程序集成到CRUISE软件中，从而实现CRUISE软件和Simulink软件的联合仿真，对整车的经济性进行优化，并验证驱动控制策略的可行性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于数学建模的纯电动汽车驱动控制策略优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集电池剩余电量、车辆速度、制动管路压力、电机转速和加速踏板传感器数据；

将所述加速踏板传感器数据输入至建立的驾驶意图分析模型中，所述驾驶意图分析模型根据所述加速踏板传感器数据计算加速踏板的开度值以及开度变化率，并将所述开度值以及所述开度变化率输出至驱动模式分析模型；

将所述电池剩余电量、所述车辆速度、所述制动管路压力和所述电机转速分别输入至所述驱动模式分析模型，所述驱动模式分析模型根据所述开度值、所述开度变化率、所述电池剩余电量、所述车辆速度、所述制动管路压力和所述电机转速选择对应的动力驱动模式，并将选择的动力驱动模式输出至转矩计算模型，所述动力驱动模式为起步驱动模式、正常驱动模式、经济驱动模式、坡行驱动模式中的任意一种；

所述转矩计算模型计算在选择的动力驱动模式下的需求电机转矩，并且判断所述驱动模式分析模型选择的动力驱动模式是否发生转换以及所述需求电机转矩是否大于阈值，若是，则对所述需求电机转矩进行顺序划分，将所述需求电机转矩划分成若干个由小至大的点值，任意相邻的两个点值之间的差值相同，并将各个所述点值依次输出至指令生成模型；

所述指令生成模型根据所述点值依次向所述电机控制器发送对应的转矩指令；

所述电机控制器根据所述转矩指令计算对应的电机控制参数，并根据所述电机控制参数输出占空比受数字PID增量型控制律控制的PWM脉冲至电机；

当所述驱动模式分析模型选择的动力驱动模式为经济驱动模式时，所述转矩计算模型根据下式计算在经济驱动模式下的需求电机转矩T_需求：

T_需求＝L·T_Max

式中，T_Max为电机当前转速下的理论最大输出转矩，L为电机转矩负荷系数，且L＝f(S)，S为以百分比表示的加速踏板的开度值，通过以下步骤确定L＝f(S)的系数：

步骤一：确定电机高效工作区对应的电机转速；

步骤二：确定电池工作在高效放电区域时对应的车辆速度；

步骤三：在步骤一确定的电机转速和步骤二确定的车辆速度下进行采样，获得若干组采样数据，每一组采样数据包括需求电机转矩T_需求、电机当前转速下的理论最大输出转矩T_Max和加速踏板的开度值S；

步骤四：根据每一组采样数据中的需求电机转矩T_需求和电机当前转速下的理论最大输出转矩T_Max计算对应的电机转矩负荷系数L；

步骤五：对电机转矩负荷系数L和加速踏板的开度值S进行线性拟合，得到L＝f(S)的系数。

2.根据权利要求1所述的一种基于数学建模的纯电动汽车驱动控制策略优化方法，其特征在于，

当所述转矩计算模型判断所述驱动模式分析模型选择的动力驱动模式没有发生转换时或者判断所述驱动模式分析模型选择的动力驱动模式发生转换但所述需求电机转矩小于所述阈值时，所述转矩计算模型将计算得到的需求电机转矩直接输出至所述指令生成模型，使所述指令生成模型根据所述需求电机转矩向所述电机控制器发送对应的转矩指令。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于数学建模的纯电动汽车驱动控制策略优化方法，其特征在于，

当所述驱动模式分析模型选择的动力驱动模式为起步驱动模式时，所述转矩计算模型还为计算得到的需求电机转矩设定电机转矩上限，当所述需求电机转矩大于所述电机转矩上限时，所述转矩计算模型将所述需求电机转矩的值修正为所述电机转矩上限的值。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于数学建模的纯电动汽车驱动控制策略优化方法，其特征在于，

当所述驱动模式分析模型选择的动力驱动模式为正常驱动模式时，所述转矩计算模型根据下式计算在正常驱动模式下的需求电机转矩T_需求：

T_需求＝L·T_Max

式中，T_Max为电机当前转速下的理论最大输出转矩，L为电机转矩负荷系数，且L＝S，S为以百分比表示的加速踏板的开度值。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于数学建模的纯电动汽车驱动控制策略优化方法，其特征在于，所述数字PID增量型控制律的数学表达式为：

Δu(n)＝u(n)-u(n-1)

＝K_P[e(n)-e(n-1)]+K_Ie(n)+K_D[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]

式中，K_P为比例增益，K_I为积分系数，K_D为微分系数，e(n)为第n次控制偏差。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于数学建模的纯电动汽车驱动控制策略优化方法，其特征在于，

利用CRUISE软件建立整车模型，利用Simulink软件建立整车控制策略模型，所述整车控制策略模型包括所述驾驶意图分析模型、所述驱动模式分析模型、所述转矩计算模型和所述指令生成模型，通过Simulink接口模块实现CRUISE软件和Simulink软件的联合仿真。

7.根据权利要求1或2所述的一种基于数学建模的纯电动汽车驱动控制策略优化方法，其特征在于，

利用光电传感器测量所述电机转速。

8.根据权利要求7所述的一种基于数学建模的纯电动汽车驱动控制策略优化方法，其特征在于，所述光电传感器的测量公式如下：

式中，v为电机转速，n为时间t内的脉冲数，N为传感器的圆盘边缘上的凹槽数。

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