CN112883563A - 一种纯电动汽车前后桥电机驱动效率线性插值优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纯电动汽车前后桥电机驱动效率线性插值优化方法，包括以下步骤：通过车辆在坡度可变路面行驶实验建立前后电机能耗和行驶时间数据库，线性插值获得不同车辆载荷、加速踏板量程和坡道的多项式函数，利用所建立的能量和时间目标函数求解前后电机转矩分配系数。本发明技术方案流程清晰，易模块化实施，低成本，在新能源汽车能量管理的标定或实时控制应用场合具有延长车辆续驶里程的作用，从而提高车辆经济性。

Description

一种纯电动汽车前后桥电机驱动效率线性插值优化方法

技术领域

本发明属于电动汽车控制技术领域，具体涉及一种纯电动汽车前后桥电机驱动效率线性插值优化方法。

背景技术

针对前后桥双电机驱动电动汽车转矩分配最优化问题，已有专利文献提出目标函数优化滑移率或附着系数等进行分配前后桥双电机转矩，改善车辆行驶的动力性、经济性和安全性。CN111186308A提出了轴荷分配和电机效率两个独立的目标函数优化前电机和后电机的转矩，以提高车辆行驶的稳定性和经济性。CN108749646A提出了动力电池能耗为目标函数及其跳跃式搜索公式，搜索起点为电机某转速转矩最小值，搜索终点为电机某转速转矩最大值与待分配转矩的最小值，以提高车辆行驶的动力性和经济性。CN107640062A提出了由路面类型和轮胎滑移率估算轮胎附着系数的前后双电机转矩分配方法，以实现车辆最佳的动力性。CN107554356A提出了基于电机转矩、转速、效率的三维图的前后双电机总功率与转矩分配比例的抛物线、M型和W型曲线，以提高整车性能。CN108394313A提出了以轮胎力目标函数和滑模极值搜索最佳滑移率来分配四驱电动汽车转矩的方法，提高车辆的行驶安全性。就已有专利而言，目前缺乏利用系列化可变坡道角度实验数据优化新能源汽车前后桥电机转矩分配的方法。

发明内容

本发明旨在前后桥电机驱动的纯电动汽车在坡道行驶的效率问题，公开了一种前后桥电机驱动纯电动汽车的效率优化方法，在多坡道和长坡道路面，纯电动汽车前后桥载荷存在显著差异，固定的前后桥电机转矩分配难以适应随坡道角变化的附着系数，影响车辆行驶的经济性。

本发明的技术方案为：

一种纯电动汽车前后桥电机驱动效率线性插值优化方法，包括以下步骤：通过车辆在坡度可变路面行驶实验建立前后电机能耗和行驶时间数据库，线性插值获得不同车辆载荷、加速踏板量程和坡道的多项式函数，利用所建立的能量和时间目标函数求解前后电机转矩分配系数。

具体包括以下步骤：

S1、获取测试车辆条件和参数：

整车整备质量m_c，kg；

整车载荷质量m_d，kg；

加速踏板量程θ，100％；

前后桥电机驱动型式、速比和电机参数相同；S2、获取测试车辆可采集信号：

前桥电机控制器输入电流i_f，A；

后桥电机控制器输入电流i_r，A；

动力蓄电池系统母线电压u_b，V；

车辆纵向速度信号v_x，m/s；

时间记录信号t，s；

车辆总转矩参考M，N/m；

前后桥电机转矩分配系数γ，100％；

S3、坡道测试

三种道路分别为上坡、水平路面和下坡，三种道路的路面长度分别为L1、L2和L3，W为路面宽度，根据实际需求确定；α为上坡和下坡的道路坡道角度；F₁、F₂、F₃、F₄表示安装路面压力测量装置及其输出压力信号；

S4、计算各坡道车辆分别在上坡、水平路面和下坡的电机能量消耗E₁、E₂和E₃；

S5、给定任意输入(m，α，θ)，寻找k1、k2和k3，满足：

S6、线性插值计算给定输入(m，α，θ)的车辆电机能量消耗E_γ和行驶时间t_γ；

E_γ(m,α,θ)＝[1-λ_γ(m,α,θ)]E_γ(m_k1,α_k2,θ_k3)+λ_γ(m,α,θ)E_γ(m_k1+1,α_k2+1,θ_k3+1)

t_γ(m_k,α_k,θ_k)＝[1-λ_γ(m,α,θ)]t_γ(m_k1,α_k2,θ_k3)+λ_γ(m,α,θ)t_γ(m_k1+1,α_k2+1,θ_k3+1)

其中，

式中，k1和k2分别为0、1、2、…、10中的一个确定值，k3为1、2、…、10中的某个值；

S7、建立车辆电机能量消耗E_γ与转矩分配系数γ的阶次不大于5的多项式函数；

式中，j＝1、2、3，分别对应车辆在上坡、水平路面和下坡的车辆电机能量消耗；c_1k表示采用最小二乘法拟合的实系数，k＝0、1、2、3、4、5；

S8、建立车辆行驶时间t_γ与转矩分配系数γ的阶次不大于5的多项式函数；

式中，j＝1、2、3，分别对应车辆在上坡、水平路面和下坡的车辆行驶时间；建立c_2k表示采用最小二乘法拟合的实系数，k＝0、1、2、3、4、5；

S9、建立上坡、水平路面和下坡车辆能量和时间联合优化目标函数J_j，j＝1、2、3；

s.t.0≤γ≤0.5

式中，0≤ρ≤1；k1和k2分别为0、1、2、…、10中的一个确定值，k3为1、2、…、10中的某个值；

采用优化算法求解满足目标函数的转矩分配系数γ。

其中，所述的S3具体包括以下子步骤：

S31、输入信号均匀划分

整车质量m：m_k1＝m_c+λ_mm_d，λ_m＝k1/10，k1＝0,1,2,3,…,10；

坡道角度α：α_k2＝atan(λ_α×20％)，λ_α＝k2/10，k2＝0,1,2,3,…,10；

加速踏板量程θ：θ_k3＝λ_θ×100％，λ_θ＝k3/20，k3＝1,2,3,…,20；

前后电机转矩分配系数γ：γ_k＝λ_γ×100％，λ_γ＝k/20，k＝0,1,2,3,…,10；

车辆前电机转矩参考：上坡，M_f＝(0.5–γ_k)M；下坡，M_f＝(0.5+γ_k)M；

车辆后电机转矩参考：上坡，M_r＝(0.5+γ_k)M；下坡，M_r＝(0.5–γ_k)M；

S32、保持三个变量恒定，按比例改变一个变量，逐个开展实验；比如保持λ_m＝0、λ_α＝0、λ_θ＝1，λ_γ＝k/20，k＝0,1,2,3,…,10，每变化一次k，开展并完成一个测试；以此类推，开展并完成所有测试实验；

S33、数据采样时间为1ms，并行采集与记录五个测量数据v、i_f、i_r、u_b、t，并行采集与记录四个压力测量数据F₁、F₂、F₃、F₄；

S34、对四个压力数据进行脉冲整形0；

如果F₁>F_min>0，那么F_t1＝1；否则F_t1＝0；

如果F₂>F_min>0，那么F_t2＝1；否则F_t2＝0；

如果F₃>F_min>0，那么F_t3＝1；否则F_t3＝0；

如果F₄>F_min>0，那么F_t4＝1；否则F_t4＝0。

其中，F_min表示设定的压力传感器滤波值，F_t1、F_t2、F_t3、F_t4分别对应F₁、F₂、F₃、F₄的脉冲整型值。

其中，所述的S4具体包括以下子步骤：

S41、计算车辆在上坡、水平和下坡时间的起始时间和结束时间；

当F_t1第二次从0跳变到1后、保持为1和又从1跳变到0时，该时刻t₁₁作为车辆上坡起始时间；

当F_t2第一次从0跳变到1后、保持为1和又从1跳变到0时，该时刻t₁₂作为车辆上坡结束时间；

当F_t2第二次从0跳变到1后、保持为1和又从1跳变到0时，该时刻t₂₁作为车辆水平路面起始时间；

当F_t3第一次从0跳变到1后、保持为1和又从1跳变到0时，该时刻t₂₂作为车辆水平路面结束时间；

当F_t3第二次从0跳变到1后、保持为1和又从1跳变到0时，该时刻t₃₁作为车辆下坡起始时间；

当F_t4第二次从0跳变到1后、保持为1和又从1跳变到0时，该时刻t₃₂作为车辆下坡结束时间；

t₁＝t₁₂–t₁₁；

t₂＝t₂₂–t₂₁；

t₃＝t₃₂–t₃₁；

S42、计算车辆电机能量消耗；

式中，j＝1、2、3。

本发明技术方案流程清晰，易模块化实施，低成本，在新能源汽车能量管理的标定或实时控制应用场合具有延长车辆续驶里程的作用，从而提高车辆经济性。

附图说明

图1为本发明的上坡、水平路面和下坡的测试装置示意图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体技术方案。

一种纯电动汽车前后桥电机驱动效率线性插值优化方法，

具体包括以下步骤：

S1、获取测试车辆条件和参数：

整车整备质量m_c＝2000kg；

整车载荷质量m_d＝500kg；

加速踏板量程θ＝100％；

前后桥电机电气参数相同，峰值功率P_max＝100kW，峰值转矩M_max＝382N/m，最大转速n_max＝10000r/min；

前后桥一级减速器和差速器的总速比相同，i_g＝18.85；

S2、获取测试车辆可采集信号：

前桥电机控制器输入电流i_f，A；

后桥电机控制器输入电流i_r，A；

动力蓄电池系统母线电压u_b，V；

车辆纵向速度信号v_x，m/s；

时间记录信号t，s；

车辆总转矩参考M，N/m；

前后电机转矩分配系数γ，100％；

S3、坡道测试

如图1所示，三种道路分别为上坡、水平路面和下坡，三种道路的路面长度分别为L1＝20m、L2＝10m和L3＝20m，路面宽度为W＝3.5m；α为上坡和下坡的道路坡道角度，最大坡度为20％；F₁、F₂、F₃、F₄表示安装路面压力测量装置及其输出压力信号；

S3具体包括以下子步骤：

S31、输入信号均匀划分

整车质量m：m_k1＝m_c+λ_mm_d，λ_m＝k1/10，k1＝0,1,2,3,…,10；

坡道角度α：α_k2＝atan(λ_α×20％)，λ_α＝k2/10，k2＝0,1,2,3,…,10；

加速踏板量程θ：θ_k3＝λ_θ×100％，λ_θ＝k3/20，k3＝1,2,3,…,20；

前后电机转矩分配系数γ：γ_k＝λ_γ×100％，λ_γ＝k/20，k＝0,1,2,3,…,10；

车辆前电机转矩参考：上坡，M_f＝(0.5–γ_k)M；下坡，M_f＝(0.5+γ_k)M；

车辆后电机转矩参考：上坡，M_r＝(0.5+γ_k)M；下坡，M_r＝(0.5–γ_k)M；

S32、保持三个变量恒定，按比例改变一个变量，逐个开展实验；比如保持λ_m＝0.5、λ_α＝0.5、λ_θ＝50％，λ_γ＝k/20，k＝0,1,2,3,…,10，每变化一次k；也就是，取λ_γ＝0、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5，开展并完成一个个转矩分配系数的车辆行驶实验；以此类推，开展并完成所有测试实验；

S33、数据采样时间为1ms，并行采集与记录五个测量数据v、i_f、i_r、u_b、t，并行采集与记录四个压力测量数据F₁、F₂、F₃、F₄；

S34、对四个压力数据进行脉冲整形0；

如果F₁>F_min>0，那么F_t1＝1；否则F_t1＝0；

如果F₂>F_min>0，那么F_t2＝1；否则F_t2＝0；

如果F₃>F_min>0，那么F_t3＝1；否则F_t3＝0；

如果F₄>F_min>0，那么F_t4＝1；否则F_t4＝0。

其中，F_min＝1000N，F_t1、F_t2、F_t3、F_t4分别对应F₁、F₂、F₃、F₄的脉冲整型值。S4、计算各坡道车辆分别在上坡、水平路面和下坡的电机能量消耗E₁、E₂和E₃；

S4具体包括以下子步骤：

S41、计算车辆在上坡、水平和下坡时间的起始时间和结束时间；

当F_t1第二次从0跳变到1后、保持为1和又从1跳变到0时，该时刻t₁₁作为车辆上坡起始时间；

当F_t2第一次从0跳变到1后、保持为1和又从1跳变到0时，该时刻t₁₂作为车辆上坡结束时间；

当F_t2第二次从0跳变到1后、保持为1和又从1跳变到0时，该时刻t₂₁作为车辆水平路面起始时间；

当F_t3第一次从0跳变到1后、保持为1和又从1跳变到0时，该时刻t₂₂作为车辆水平路面结束时间；

当F_t3第二次从0跳变到1后、保持为1和又从1跳变到0时，该时刻t₃₁作为车辆下坡起始时间；

当F_t4第二次从0跳变到1后、保持为1和又从1跳变到0时，该时刻t₃₂作为车辆下坡结束时间；

t₁＝t₁₂–t₁₁；

t₂＝t₂₂–t₂₁；

t₃＝t₃₂–t₃₁；

S42、计算车辆电机能量消耗；

式中，j＝1、2、3。

S5、给定任意输入(m，α，θ)，寻找k1、k2和k3，满足：

S6、线性插值计算给定输入(m，α，θ)的车辆电机能量消耗E_γ和行驶时间t_γ；

E_γ(m,α,θ)＝[1-λ_γ(m,α,θ)]E_γ(m_k1,α_k2,θ_k3)+λ_γ(m,α,θ)E_γ(m_k1+1,α_k2+1,θ_k3+1)

t_γ(m_k,α_k,θ_k)＝[1-λ_γ(m,α,θ)]t_γ(m_k1,α_k2,θ_k3)+λ_γ(m,α,θ)t_γ(m_k1+1,α_k2+1,θ_k3+1)

其中，

式中，k1和k2分别为0、1、2、…、10中的一个确定值，k3为1、2、…、10中的某个值；

S7、建立车辆电机能量消耗E_γ与转矩分配系数γ的阶次2的多项式函数；

式中，j＝1、2、3，分别对应车辆在上坡、水平路面和下坡的车辆电机能量消耗；c_1k表示采用最小二乘法拟合的实系数，k＝0、1、2；

S8、建立车辆行驶时间t_γ与转矩分配系数γ的阶次2的多项式函数；

式中，j＝1、2、3，分别对应车辆在上坡、水平路面和下坡的车辆行驶时间；建立c_2k表示采用最小二乘法拟合的实系数，k＝0、1、2；

S9、建立上坡、水平路面和下坡车辆能量和时间联合优化目标函数J_j，j＝1、2、3；并且，不考虑车辆在坡道上的行驶时间，即ρ＝1；

采用优化算法比如Armijo准则搜索满足目标函数的转矩分配系数γ。在给定参数的上坡、水平路面和下坡三种道路，使目标车辆的电机能耗最少的转矩分配系数γ分别为0.1、0和0.1。

Claims (4)

1.一种纯电动汽车前后桥电机驱动效率线性插值优化方法，其特征在于，包括以下步骤：通过车辆在坡度可变路面行驶实验建立前后电机能耗和行驶时间数据库，线性插值获得不同车辆载荷、加速踏板量程和坡道的多项式函数，利用所建立的能量和时间目标函数求解前后电机转矩分配系数。

2.根据权利要求1所述的一种纯电动汽车前后桥电机驱动效率线性插值优化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、获取测试车辆条件和参数：

整车整备质量m_c，kg；

整车载荷质量m_d，kg；

加速踏板量程θ，100％；

前后桥电机驱动型式、速比和电机参数相同；S2、获取测试车辆可采集信号：

前桥电机控制器输入电流i_f，A；

后桥电机控制器输入电流i_r，A；

动力蓄电池系统母线电压u_b，V；

车辆纵向速度信号v_x，m/s；

时间记录信号t，s；

车辆总转矩参考M，N/m；

前后桥电机转矩分配系数γ，100％；

S3、坡道测试

三种道路分别为上坡、水平路面和下坡，三种道路的路面长度分别为L1、L2和L3，W为路面宽度，根据实际需求确定；α为上坡和下坡的道路坡道角度；F₁、F₂、F₃、F₄表示安装路面压力测量装置及其输出压力信号；

S4、计算各坡道车辆分别在上坡、水平路面和下坡的电机能量消耗E₁、E₂和E₃；

S5、给定任意输入(m，α，θ)，寻找k1、k2和k3，满足：

S6、线性插值计算给定输入(m，α，θ)的车辆电机能量消耗E_γ和行驶时间t_γ；

E_γ(m,α,θ)＝[1-λ_γ(m,α,θ)]E_γ(m_k1,α_k2,θ_k3)+λ_γ(m,α,θ)E_γ(m_k1+1,α_k2+1,θ_k3+1)

t_γ(m_k,α_k,θ_k)＝[1-λ_γ(m,α,θ)]t_γ(m_k1,α_k2,θ_k3)+λ_γ(m,α,θ)t_γ(m_k1+1,α_k2+1,θ_k3+1)

其中，

式中，k1和k2分别为0、1、2、…、10中的一个确定值，k3为1、2、…、10中的某个值；

S7、建立车辆电机能量消耗E_γ与转矩分配系数γ的阶次不大于5的多项式函数；

式中，j＝1、2、3，分别对应车辆在上坡、水平路面和下坡的车辆电机能量消耗；c_1k表示采用最小二乘法拟合的实系数，k＝0、1、2、3、4、5；

S8、建立车辆行驶时间t_γ与转矩分配系数γ的阶次不大于5的多项式函数；

式中，j＝1、2、3，分别对应车辆在上坡、水平路面和下坡的车辆行驶时间；建立c_2k表示采用最小二乘法拟合的实系数，k＝0、1、2、3、4、5；

S9、建立上坡、水平路面和下坡车辆能量和时间联合优化目标函数J_j，j＝1、2、3；

s.t.0≤γ≤0.5

式中，0≤ρ≤1；k1和k2分别为0、1、2、…、10中的一个确定值，k3为1、2、…、10中的某个值；

采用优化算法求解满足目标函数的转矩分配系数γ。

3.根据权利要求2所述的一种纯电动汽车前后桥电机驱动效率线性插值优化方法，其特征在于，所述的S3具体包括以下子步骤：

S31、输入信号均匀划分

整车质量m：m_k1＝m_c+λ_mm_d，λ_m＝k1/10，k1＝0,1,2,3,…,10；

坡道角度α：α_k2＝atan(λ_α×20％)，λ_α＝k2/10，k2＝0,1,2,3,…,10；

加速踏板量程θ：θ_k3＝λ_θ×100％，λ_θ＝k3/20，k3＝1,2,3,…,20；

前后电机转矩分配系数γ：γ_k＝λ_γ×100％，λ_γ＝k/20，k＝0,1,2,3,…,10；

车辆前电机转矩参考：上坡，M_f＝(0.5–γ_k)M；下坡，M_f＝(0.5+γ_k)M；

车辆后电机转矩参考：上坡，M_r＝(0.5+γ_k)M；下坡，M_r＝(0.5–γ_k)M；

S32、保持三个变量恒定，按比例改变一个变量，逐个开展实验；比如保持λ_m＝0、λ_α＝0、λ_θ＝1，λ_γ＝k/20，k＝0,1,2,3,…,10，每变化一次k，开展并完成一个测试；以此类推，开展并完成所有测试实验；

S33、数据采样时间为1ms，并行采集与记录五个测量数据v、i_f、i_r、u_b、t，并行采集与记录四个压力测量数据F₁、F₂、F₃、F₄；

S34、对4个压力数据进行脉冲整形0；

如果F₁>F_min>0，那么F_t1＝1；否则F_t1＝0；

如果F₂>F_min>0，那么F_t2＝1；否则F_t2＝0；

如果F₃>F_min>0，那么F_t3＝1；否则F_t3＝0；

如果F₄>F_min>0，那么F_t4＝1；否则F_t4＝0。

其中，F_min表示设定的压力传感器滤波值，F_t1、F_t2、F_t3、F_t4分别对应F₁、F₂、F₃、F₄的脉冲整型值。

4.根据权利要求3所述的一种纯电动汽车前后桥电机驱动效率线性插值优化方法，其特征在于，所述的S4具体包括以下子步骤：

S41、计算车辆在上坡、水平和下坡时间的起始时间和结束时间；

当F_t1第二次从0跳变到1后、保持为1和又从1跳变到0时，该时刻t₁₁作为车辆上坡起始时间；

当F_t2第一次从0跳变到1后、保持为1和又从1跳变到0时，该时刻t₁₂作为车辆上坡结束时间；

当F_t2第二次从0跳变到1后、保持为1和又从1跳变到0时，该时刻t₂₁作为车辆水平路面起始时间；

当F_t3第一次从0跳变到1后、保持为1和又从1跳变到0时，该时刻t₂₂作为车辆水平路面结束时间；

当F_t3第二次从0跳变到1后、保持为1和又从1跳变到0时，该时刻t₃₁作为车辆下坡起始时间；

当F_t4第二次从0跳变到1后、保持为1和又从1跳变到0时，该时刻t₃₂作为车辆下坡结束时间；

t₁＝t₁₂–t₁₁；

t₂＝t₂₂–t₂₁；

t₃＝t₃₂–t₃₁；

S42、计算车辆电机能量消耗；

式中，j＝1、2、3。

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