CN113320397A - 基于路谱的驱动电机效率提升方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于路谱的驱动电机效率提升方法，包括：获取路谱以及车辆信息；基于路谱和车辆信息，计算每个工况点对应的电机输出扭矩Ttq(t)和电机转速n(t)；将电机工作区间按扭矩和转速划分成多个MAP子区域；计算每个MAP子区域内所有工况点的能量和；找到驱动工况或回馈工况下MAP子区域能量和大的目标区域；改变电机，使电机MAP的高效区向目标区域移动。本发明将电机MAP根据转速和扭矩划分成各个MAP子区域，根据路谱以及车辆信息，得到电机的工作点，计算每个MAP子区域的能量，得到电机的能量分布图；最后将电机高效率区域与高能量区域匹配优化，以提升该路谱下电机的平均效率，从而提升汽车的续驶里程。

Description

基于路谱的驱动电机效率提升方法
技术领域
本发明属于电机领域，具体涉及一种基于路谱的驱动电机效率提升方法。
背景技术
在电动汽车或混合动力汽车的驱动电机研发阶段，针对现有电机，若在某一路谱下，电机运行的高频区域与电机高效区尽可能重合，则电机的平均效率提升，即可提高电动汽车或混合动力汽车的续驶里程，达到节能减排、降低成本的目的。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于路谱的驱动电机效率提升方法，提升电机的平均效率。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于路谱的驱动电机效率提升方法，包括以下步骤：
获取路谱以及车辆信息；
基于路谱和车辆信息，计算每个工况点对应的电机输出扭矩Ttq(t)和电机转速n(t)；
将电机工作区间按扭矩和转速划分成多个MAP子区域；
计算每个MAP子区域内所有工况点的能量和；
找到驱动工况或回馈工况下MAP子区域能量和大的目标区域；
改变电机，使电机MAP的高效区向目标区域移动。
优选地，路谱包括时间以及时间对应的速度v(t)和加速度a(t)。
优选地，车辆信息包括整车质量m、减速箱传动效率η、减速箱速比ig、车轮滚动半径r。
优选地，电机输出扭矩Ttq(t)和电机转速n(t)计算公式分别如下：
Figure BDA0003123581590000011
Figure BDA0003123581590000012
式中，A、B、C均为阻力系数。
优选地，MAP子区域划分方法为：
将电机工作区间按起始扭矩T0、起始转速N0、扭矩步长δ、转速步长ζ进行网格划分，扭矩工作区间划分为[0＜Ttq(t)≤T0，T0＜Ttq(t)≤T0+δ，T0+δ＜Ttq(t)≤T0+2δ，…，T0+(p-1)δ＜Ttq(t)≤T0+pδ]，转速工作区间划分为[0＜n(t)≤N0，N0＜n(t)≤N0+ζ，N0+ζ＜n(t)≤N0+2ζ，…，N0+(q-1)ζ＜n(t)≤N0+qζ]，总共有(p+1)*(q+1)个MAP子区域。
优选地，T0≤δ≤10，N0≤ζ≤500，起始转速、转速步长均为50的倍数，起始扭矩、扭矩步长均为整数。
优选地，MAP子区域内所有工况点的能量和计算方法如下：
先计算每个工况点的能量
Figure BDA0003123581590000021
然后计算第(i,j)个MAP子区域
Figure BDA0003123581590000022
的能量总和
Figure BDA0003123581590000023
其中，ni、ni+1表示第(i,j)个MAP子区域的转速边界，Tj、Tj+1表示第(i,j)个MAP子区域的扭矩边界。
优选地，计算各个MAP子区域的能量占比，按驱动工况或回馈工况对能量占比从大到小排序，找出排名靠前的MAP子区域，即为目标区域。
优选地，根据各个MAP子区域对应的能量占比绘制成反映能量的分布情况的等高图。
优选地，通过改变电机磁钢、磁路或线圈匝数，使电机MAP的高效率区间向目标区域移动，提升电机的平均效率。
本发明的有益效果为：本发明将电机MAP根据转速和扭矩划分成各个MAP子区域，根据路谱、整车质量、电机传动效率、减速箱速比、车轮滚动半径、行驶阻力等，得到电机的工作点，计算每个MAP子区域的能量，得到电机的能量分布图；最后将电机高效率区域与高能量区域匹配优化，以提升该路谱下电机的平均效率，从而提升汽车的续驶里程。
附图说明
图1是本发明的基于路谱的驱动电机效率提升方法流程图。
图2是本发明实施例的电机工作区间划分示意图。
图3是本发明的基于路谱的驱动电机效率提升方法的软件操作步骤。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明：
在电动汽车或混合动力汽车的电机研发阶段，针对电机的现有效率MAP图，为了进一步提高电机的平均效率，达到提高车辆续驶里程的目的，基于路谱得到特定的电机能量分布情况，通过提高能量较大的区域内电机的效率，来提高该路谱下电机的平均效率。本发明利用电机的能量分布图和能量分布表可为提高电机效率提供依据和方法。
本发明实施例的基于路谱的驱动电机效率提升方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、获取路谱。
路谱，即车速-加速度关系图。数据包括：时间步长、每一步长对应的速度和加速度。
S2、获取车辆信息。
获得车辆的相关信息，包括：整车质量m、减速箱传动效率η、减速箱速比ig、车轮滚动半径r、阻力系数A、阻力系数B、阻力系数C。阻力系数A、B、C为常量，与车辆质量、外形、轮胎等有关。
S3、基于路谱和车辆信息，计算每个工况点对应的电机输出扭矩Ttq(t)和电机转速n(t)。
工况点是电机在某时刻的输出扭矩、转速。根据路谱的速度-加速度关系表及车辆相关信息，计算每个工况点对应的电机输出扭矩、电机转速。车辆行驶阻力Fr(t)＝Av(t)2+Bv(t)+C+ma(t)，驱动力
Figure BDA0003123581590000031
根据汽车的行驶方程式Ft(t)＝Fr(t),得到电机输出扭矩
Figure BDA0003123581590000032
转速
Figure BDA0003123581590000033
其中，v(t)、a(t)为路谱输入的车速和加速度。
S4、将电机工作区间按扭矩和转速划分成多个MAP子区域。
针对现有电机，将电机工作区域按起始扭矩T0Nm、起始转速N0rpm、扭矩步长δNm、转速步长ζrpm进行网格划分，其中T0≤δ≤10，N0≤ζ≤500，起始转速、转速步长均为50的倍数，起始扭矩、扭矩步长均为整数。
扭矩工作区间划分为[0＜Ttq(t)≤T0，T0＜Ttq(t)≤T0+δ，T0+δ＜Ttq(t)≤T0+2δ，…，T0+(p-1)δ＜Ttq(t)≤T0+pδ]，转速工作区间划分为[0＜n(t)≤N0，N0＜n(t)≤N0+ζ，N0+ζ＜n(t)≤N0+2ζ，…，N0+(q-1)ζ＜n(t)≤N0+qζ]，总共有(p+1)*(q+1)个MAP子区域，划分结果如图2所示，图中的每个点代表一个工况点。
MAP子区域是根据扭矩和转速将电机MAP划分成各个矩形小区间，由起始转速、起始扭矩、转速步长、扭矩步长决定。但MAP子区域的形状并不限定于矩形，理论上所有的形状都可以。
S5、计算每个MAP子区域内所有工况点的能量和。
计算每个工况点的能量
Figure BDA0003123581590000034
计算第(i,j)个MAP子区域
Figure BDA0003123581590000035
的能量总和
Figure BDA0003123581590000036
其中，ni、ni+1表示第(i,j)个MAP子区域的转速边界，Tj、Tj+1表示第(i,j)个MAP子区域的扭矩边界。i＝1，2，3……p+1,j＝1,2,3……q+1。
优选地，计算整个工作区域内的能量总和
Figure BDA0003123581590000041
然后计算各个MAP子区域的能量占比
Figure BDA0003123581590000042
S6、找到驱动工况或回馈工况下MAP子区域能量和大的目标区域。
按驱动工况、回馈工况分别对能量占比进行从大到小排序，分别取前10的MAP子区域，获得其转速、扭矩区间。适当提升该区间内电机标定点的效率，即可提升该路谱下的驱动电机平均效率。
其中，驱动工况为电机输出扭矩，扭矩大于0时对应的工况。回馈工况为电机制动能量回收，扭矩小于0时对应的工况。二者均可以提高电机效率，驱动工况下提高驱动效率，回馈工况下提高能量回收效率。
S7、改变电机，使电机MAP的高效区向目标区域移动。
通过改变电机本体，如磁钢、磁路、线圈匝数等，使电机MAP的高效率区间向上述转速、扭矩区间移动，从而提升电机的平均效率。
综上所述，本发明提供了一种基于路谱提升驱动电机效率的方法，即将电机工作区域根据转速和扭矩划分成各个MAP子区域，根据给定的路谱，得到每个MAP子区域的能量，形成能量分布图，通过匹配优化能量分布图与原始电机效率MAP图，适当提升高能量区域电机标定点的效率，形成新的电机MAP图。
此外，基于此方法利用matlab设计了一套交互式图形操作软件，此软件可自动搜索电机频繁工作、能量消耗较多的区域，可应用于纯电动汽车，针对任意路谱，均可为提升电机效率提供依据。
利用MATLAB设计一款图形用户操作界面(GUI)，能直接获得某路谱下电机的能量分布图和能量分布表。能量分布图为根据各个MAP子区域对应的能量占比绘制成的等高图，反映能量的分布情况。能量分布表是由能量占比前10的MAP子区域对应的转速范围、扭矩范围和能量占比组成，反映可以提升电机效率的区域。
具体方法如图3所示，步骤如下：
(1)获取路谱，所需数据包括：时间步长、每一步长对应的速度和加速度。文件导入格式可为excel工作表、matlab保存的数据文件。
(2)输入车辆的相关数据，包括：车辆整备质量、减速箱传动效率、减速箱总速比、车轮滚动半径、阻力系数A、阻力系数B、阻力系数C。
(3)选择“驱动工况”或“回馈工况”按钮。回调函数调用“工况划分”M文件，计算每个工况点的转速和扭矩，在界面上显示“驱动工况”或“回馈工况”的电机最大扭矩、电机最大转速。
(4)输入MAP子区域参数，用于划分电机工作区间，包括：电机的起始扭矩、起始转速、扭矩步长、转速步长。参数输入不同，电机工作区域的划分方式和密集程度不同，得到的能量分布图也不一样，电机工作的高频区也会有所不同。起始扭矩、扭矩步长的范围为0-10Nm，且为整数；起始转速、转速步长的范围为0-500rpm，且为50的倍数。一般输入起始扭矩为0Nm、起始转速为0rpm、扭矩步长为10Nm、转速步长为500rpm。
(5)点击“计算”按钮得到能量分布图及前10个MAP子区域对应的转速范围、扭矩范围和能量所占的百分比。“计算”按钮调用“能量计算”M文件，计算每个MAP子区域中工况点的能量之和，并进行排序，得到能量分布表。
此软件还可以得到特定需求下的能量分布图和能量分布表，如全域范围内MAP子区域能量最大值及前K个MAP子区域能量占比之和最大时的能量分布图和能量分布表。步骤如下：
(1)输入路谱、车辆相关数据，并选择“驱动”或“制动”工况。
(2)在“最值搜索”窗口输入转速步长ζrpm、扭矩步长δNm的值，在下拉列表中选择前K个MAP子区域中的K值，点击“搜索”按钮。程序自动从起始转速为50rpm、起始扭矩为1Nm开始，依次搜索至起始转速为ζrpm、起始扭矩为δNmm，并记录每次搜索时的能量最大值、前K个MAP子区域的能量占比之和、此时的起始转速、起始扭矩，共搜索(ζ*δ/50)次。在(ζ*δ/50)组数据中，分别对能量最大值、前K个MAP子区域的能量占比之和进行比较，输出能量最大值中的最大值及其对应的起始转速、起始扭矩；输出前K个MAP子区域的能量占比之和的最大值及其对应的起始转速、起始扭矩。
(3)将搜索得到的起始转速、起始扭矩和确定的转速步长、扭矩步长输入到MAP子区域参数中，得到能量分布图和能量分布表。基于此方法编写的交互式图形操作软件，以“能量分布图”、“能量分布表”的方式清晰直观的表达电机高频工作区域。
基于此方法，重新标定电机的MAP，给整车系统仿真提供适合的电机方案，可提高在该路谱下的电机平均效率。从而达到节省燃油、提高续驶里程的目的。交互的图形操作软件具有直观易懂、操作简单、实用性高的特点，可快速多样化搜索电机高频工作区域，大幅提高工作效率。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于路谱的驱动电机效率提升方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取路谱以及车辆信息；
基于路谱和车辆信息，计算每个工况点对应的电机输出扭矩Ttq(t)和电机转速n(t)；
将电机工作区间按扭矩和转速划分成多个MAP子区域；
计算每个MAP子区域内所有工况点的能量和；
找到驱动工况或回馈工况下MAP子区域能量和大的目标区域；
改变电机，使电机MAP的高效区向目标区域移动。
2.根据权利要求1所述的基于路谱的驱动电机效率提升方法，其特征在于，路谱包括时间以及时间对应的速度v(t)和加速度a(t)。
3.根据权利要求2所述的基于路谱的驱动电机效率提升方法，其特征在于，车辆信息包括整车质量m、减速箱传动效率η、减速箱速比ig、车轮滚动半径r。
4.根据权利要求3所述的基于路谱的驱动电机效率提升方法，其特征在于，电机输出扭矩Ttq(t)和电机转速n(t)计算公式分别如下：
Figure FDA0003123581580000011
Figure FDA0003123581580000012
式中，A、B、C均为阻力系数。
5.根据权利要求1所述的基于路谱的驱动电机效率提升方法，其特征在于，MAP子区域划分方法为：
将电机工作区间按起始扭矩T0、起始转速N0、扭矩步长δ、转速步长ζ进行网格划分，扭矩工作区间划分为[0＜Ttq(t)≤T0，T0＜Ttq(t)≤T0+δ，T0+δ＜Ttq(t)≤T0+2δ，…，T0+(p-1)δ＜Ttq(t)≤T0+pδ]，转速工作区间划分为[0＜n(t)≤N0，N0＜n(t)≤N0+ζ，N0+ζ＜n(t)≤N0+2ζ，…，N0+(q-1)ζ＜n(t)≤N0+qζ]，总共有(p+1)*(q+1)个MAP子区域。
6.根据权利要求5所述的基于路谱的驱动电机效率提升方法，其特征在于，T0≤δ≤10，N0≤ζ≤500，起始转速、转速步长均为50的倍数，起始扭矩、扭矩步长均为整数。
7.根据权利要求5所述的基于路谱的驱动电机效率提升方法，其特征在于，MAP子区域内所有工况点的能量和计算方法如下：
先计算每个工况点的能量
Figure FDA0003123581580000013
然后计算第(i,j)个MAP子区域
Figure FDA0003123581580000021
的能量总和
Figure FDA0003123581580000022
其中，ni、ni+1表示第(i,j)个MAP子区域的转速边界，Tj、Tj+1表示第(i,j)个MAP子区域的扭矩边界。
8.根据权利要求7所述的基于路谱的驱动电机效率提升方法，其特征在于，计算各个MAP子区域的能量占比，按驱动工况或回馈工况对能量占比从大到小排序，找出排名靠前的MAP子区域，即为目标区域。
9.根据权利要求8所述的基于路谱的驱动电机效率提升方法，其特征在于，根据各个MAP子区域对应的能量占比绘制成反映能量的分布情况的等高图。
10.根据权利要求1所述的基于路谱的驱动电机效率提升方法，其特征在于，通过改变电机磁钢、磁路或线圈匝数，使电机MAP的高效率区间向目标区域移动，提升电机的平均效率。
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