CN113580928A - 一种双电机串联两极减速器及其控制方法 - Google Patents

一种双电机串联两极减速器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双电机串联两极减速器，包括差速器、变速器、主电机、离合器、辅电机、动力电池、发电机和发动机；主电机、离合器、辅电机依次串联；辅电机的输出轴连接变速器；变速器连接差速器传递驱动力至车轮；主电机和辅电机分别与动力电池连接；动力电池还与发电机连接；发电机和发动机连接。本发明还公开了该减速器的控制方法，本发明使得电机使用过程处于高效区域的比例增加，从而提高了系统的效率；采用双电机同轴驱动方式，使电机输出动力的传递效率提高了，降低了维护成本。

Description

一种双电机串联两极减速器及其控制方法
技术领域
本发明属于驱动控制技术领域，特别是涉及一种双电机串联两极减速器及其控制方法。
背景技术
一般情况下，增程式汽车的发动机不直接驱动车轮行驶，经过了油电转换，整车效率低。同时，为了应对爬坡、加速性以及部分极端工况，单驱动电机的增程式汽车按照动力性选型，导致实车在日常运行过程中常工作在低速低载工作点，甚至小于最大转矩15%，电机的效率偏低。在实际工况确定的情况下，电机动力性和经济性取决于驱动电机的固有特性，这些特性驱动电机和单级减速器选型确认后就已经确定，仅做单驱动电机策略控制无法解决经济性问题。总体而言，单驱动电机的增程式汽车无法满足顾客节油期望。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种双电机串联两极减速器及其控制方法，采用双电机驱动的方式，提高了增程式汽车驱动电机输出动力的传递效率。
本发明所采用的技术方案是：一种双电机串联两极减速器，包括：差速器（1）、变速器（2）、主电机（3）、离合器（4）、辅电机（5）、动力电池（6）、发电机（7）和发动机（8）；其特征在于：所述主电机（3）、离合器（4）、辅电机（5）依次串联；辅电机（5）的输出轴连接变速器（2）；所述变速器（2）连接差速器（1）传递驱动力至车轮；所述主电机（3）和辅电机（5）分别与动力电池（6）连接；所述动力电池（6）还与发电机（7）连接；所述发电机（7）和发动机（8）连接。
一种双电机串联两极减速器的控制方法，使用一种双电机串联两极减速器：
如果所需驱动功率小于主电机（3）持续功率，只使用主电机（3）进行驱动，辅电机（5）完全脱开，根据档位经济性最优化分配扭矩，即通过调节变速器（2）的速比使得主电机（3）运行在高效区；
如果所需驱动功率大于辅电机（5）持续功率，使用主电机（3）和辅电机（5）一起进行驱动，使用扭矩经济性最优化分配扭矩。
进一步地，档位经济性最优化分配扭矩的方法是：
单使用主电机（3）时，上一个时间周期的轮边扭矩为T1(t)、车速为S1(t)，根据变速器（2）速比1档得出电机端总扭矩Ts1(t)、主电机（3）转速n1(t)，变速器（2）速比2档得出电机端总扭矩Ts2(t)、主电机（3）转速n2(t)。经济性最优化的目标是找到一个变速器（2）速比来使瞬时能量损失函数最小，瞬时能量损失函数的公式如下：
J=L(K)+LCD
J是瞬间的总损失包括：主电机（3）的能量损失L(k)、主电机（3）后端的传动系统能量损耗LCD；通过计算得知不同档位下的主电机（3）的不同的能量损失L(k1)，L(k2)，得出瞬时能量损失函数最小数值Jmin；
其中，L(k1)，L(k2)计算公式如下：
L(k1)= Ts1(t) *n1(t) *(1-(griddata(Ts1(t), n1(t)))/ 9550
L(k2)= Ts2(t) *n2(t) *(1-(griddata(Ts2(t), n2(t)))/ 9550
进一步地，扭矩经济性最优化分配扭矩的方法是：
主电机（3）和辅电机（5）工作时，上一个时间周期的轮边扭矩为T(t)、车速为S(t)，根据变速器（2）速比得出电机端总扭矩Ts(t)、串联电机轴转速n(t)，经济性最优化的目标是找到辅电机（5）扭矩输入Tm(t)来使瞬时能量损失函数最小，瞬时能量损失函数的公式如下：
J= Lm(t)+ La(t)+ Lc(t)
J是瞬间的总损失，包括主电机（3）的能量损失Lm(t)、辅电机（5）的能量损失La(t)、离合器（4）结合的能量损耗及其他能量损耗Lc(t) 。
双电机工作时，进行扭矩分配，计算所有可能状态下扭矩分配下的损耗最小值，Lm(t)≠0，La(t)≠0，Lc(t)≠0；根据主电机（3）和辅电机（5）的效率MAP，计算Lm(t)，La(t)，Lc(t)，得出瞬时能量损失函数最小数值Jmin；
其中，Lc(k)根据双电机台架实验实测得出，Lm(t)，La(t)计算公式如下：
Ts(t) =Tm(t) +Ta(t)；
La(t) = Ta(t) *n(t) *(1-(griddata(Ta(t), n(t)))/ 9550；
Lm(t)= T (t) *n(t) * (1-(griddata(Tm(t), n(t)))/ 9550
其中Ts(t)为电机端总扭矩，Tm(t)为主电机的分配扭矩，Ta(t)为辅助电机的分配扭矩，griddata（）为利用效率MAP，转速扭矩数值进行线性插值计算得到的瞬时效率值，n(t)为两个电机结合后的串联电机轴转速。
进一步地，主电机（3）和辅电机（5）一起进行驱动时有相同的转速，上一个时间周期转速n(t)及总扭矩Ts (t)在瞬时可以看做定值，使用粒子群策略，查找总扭矩中合适的扭矩分配点。
通过计算当前迭代瞬时能量损失函数的群体历史最佳效率JpBest和个体历史最佳效率JgBest可以得出前迭代群体历史最佳辅电机扭矩pBest、个体历史最佳辅电机扭矩gBest。
计算原理公式如下：
Vt+1=W•Vt+ c1 r1•(pBest-Xt)+ c1 r2•（gBest-Xt）
Xt+1=Xt+ Vt+1
Jmin=循环结束（JpBest）。
本发明的有益效果：本发明改善了电机的使用工况，能提高了电机的使用寿命。电机使用过程处于高效区域的比例增加，从而提高了效率；使得电机使用过程处于高效区域的比例增加，从而提高了系统的效率；采用双电机同轴驱动方式，使电机输出动力的传递效率提高了，降低了维护成本。
附图说明
图1为一种双电机串联两极减速器的示意图。
图2为主电机3的效率map图，
Figure 783793DEST_PATH_IMAGE001
表示变速器2为速比1档时的效率点，
Figure 513852DEST_PATH_IMAGE002
表示变速器 2为速比2档时的效率点。
图3为上图主电机3的效率map图，
Figure 979468DEST_PATH_IMAGE003
表示主电机3不满足驱动扭矩单电机驱动时的 效率点。
图4为主电机3的效率map图，
Figure 503990DEST_PATH_IMAGE004
的效率点表示双电机分配驱动时的效率点。
图5为辅电机5的效率map图，
Figure 55057DEST_PATH_IMAGE004
的效率点表示双电机分配驱动时的效率点。
图6为粒子群算法示意图。
附图标记：1、差速器；2、变速器；3、主电机；4、离合器；5、辅电机；6、动力电池；7、发电机；8、发动机。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
实施例
如图1所示，差速器1、变速器2、主电机3、离合器4、辅电机5、动力电池6、发电机7和发动机8；所述主电机3、离合器4、辅电机5依次串联；辅电机5的输出轴连接变速器2；所述变速器2连接差速器1传递驱动力至车轮；所述主电机3和辅电机5分别与动力电池6连接；所述动力电池6还与发电机7连接；所述发电机7与发动机8连接。
如图6所示，粒子群算法示意图中pBest与gBest分别为当前迭代个体的历史最佳辅电机扭矩和种群的历史最佳辅电机扭矩，t为某次迭代，t+1为下一次迭代r1，r2为随机数；w为惯性权重，c1为自我学习因子，c2为群体学习因子，Xt为初始辅电机扭矩，Xt+1为更新后的辅电机扭矩，Vt为初始种群的速度，Vt+1为更新后的速度。
一种双电机串联两极减速器的控制方法，使用一种双电机串联两极减速器：
如果所需驱动功率小于主电机3持续功率，只使用主电机3进行驱动，辅电机5完全脱开，根据档位经济性最优化分配扭矩，即通过调节速比使得主电机3运行在高效区，没有主电机3空转而带来的损耗；
进一步地，档位经济性最优化分配扭矩的方法是：
单使用主电机3时，上一个时间周期的轮边扭矩为T1(t)、车速为S1(t)，根据变速器2速比1档得出电机端总扭矩Ts1(t)、主电机转速n1(t)，变速器22速比2档得出电机端总扭矩Ts2(t)、主电机转速n2(t)。经济性最优化的目标是找到一个变速器速比来使瞬时能量损失函数最小，瞬时能量损失函数的公式如下：
J=L(K)+LCD
J是瞬间的总损失包括：主电机3的能量损失L(k)、主电机3后端的传动系统能量损耗LCD（减速器、传动轴等）。可以通过计算得知不同档位下的主电机3的不同的能量损失L(k1)，L(k2)，得出瞬时能量损失函数最小数值Jmin。
其中，L(k1)，L(k2)计算公式如下：
L(k1)= Ts1(t) *n1(t) *(1-(griddata(Ts1(t), n1(t)))/ 9550
L(k2)= Ts2(t) *n2(t) *(1-(griddata(Ts2(t), n2(t)))/ 9550
如果所需驱动功率大于主电机3持续功率，使用主电机3和辅电机5一起进行驱动，使用扭矩经济性最优化分配扭矩；
进一步地，扭矩经济性最优化分配扭矩的方法是：
主电机3和辅电机5工作时，上一个时间周期的轮边扭矩为T(t)、车速为S(t)，根据变速器速比得出电机端总扭矩Ts(t)、串联电机轴转速n(t)，经济性最优化的目标是找到辅电机扭矩输入Tm(t)来使瞬时能量损失函数最小，瞬时能量损失函数的公式如下：
J= Lm(t)+ La(t)+ Lc(t)
J是瞬间的总损失，包括主电机3的能量损失Lm(t)、辅电机5的能量损失La(t)、离合器4结合的能量损耗及其他能量损耗Lc(t) 。
双电机工作时，进行扭矩分配，计算所有可能状态下扭矩分配下的损耗最小值，Lm(t)≠0，La(t)≠0，Lc(t)≠0；根据两个主电机3和辅电机5的效率MAP，计算Lm(t)，La(t)，Lc(t)，得出瞬时能量损失函数最小数值Jmin；
其中，Lc(k)根据双电机台架实验实测得出，Lm(t)，La(t)计算公式如下：
Ts(t) =Tm(t) +Ta(t)
La(t) = Ta(t) *n(t) *(1-(griddata(Ta(t), n(t)))/ 9550
Lm(t)= T (t) *n(t) * (1-(griddata(Tm(t), n(t)))/ 9550
其中Ts(t)为电机端总扭矩，Tm(t)为主电机3的分配扭矩，Ta(t)为辅电机5的分配扭矩，griddata（）为利用效率MAP，转速扭矩数值进行线性插值计算得到的瞬时效率值，n(t)为两个电机结合后的串联电机轴转速。
主电机3和辅电机5结合稳定时有相同的转速，上一个时间周期转速n(t)及总扭矩Ts (t)在瞬时可以看做定值，使用粒子群策略，查找总扭矩中合适的扭矩分配点。其中， p为扭矩分配情况下计算的两个电机的总损耗值，通过输入Tm(t) 、Ta(t)及n(t)，利用插值法griddata（）和电机效率map得出；
通过计算当前迭代瞬时能量损失函数的群体历史最佳效率JpBest和个体历史最佳效率JgBest可以得出前迭代群体历史最佳辅电机扭矩pBest、个体历史最佳辅电机扭矩gBest。
计算原理公式如下：
Vt+1=W•Vt+ c1 r1•(pBest-Xt)+ c1 r2•（gBest-Xt）
Xt+1=Xt+ Vt+1
Jmin=循环结束（JpBest）
上述实施例不应以任何方式限制本发明，凡采用等同替换或等效转换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种双电机串联两极减速器，包括差速器（1）、变速器（2）、主电机（3）、离合器（4）、辅电机（5）、动力电池（6）、发电机（7）和发动机（8）；其特征在于：所述主电机（3）、离合器（4）、辅电机（5）依次串联；辅电机（5）的输出轴连接变速器（2）；所述变速器（2）连接差速器（1）传递驱动力至车轮；所述主电机（3）和辅电机（5）分别与动力电池（6）连接；所述动力电池（6）还与发电机（7）连接；所述发电机（7）和发动机（8）连接。
2.一种双电机串联两极减速器的控制方法，使用权利要求1所述的一种双电机串联两极减速器，其特征在于：
如果所需驱动功率小于主电机（3）持续功率，只使用主电机（3）进行驱动，辅电机（5）完全脱开，根据档位经济性最优化分配扭矩，即通过调节变速器（2）的速比使得主电机（3）运行在高效区；
如果所需驱动功率大于辅电机（5）持续功率，使用主电机（3）和辅电机（5）一起进行驱动，使用扭矩经济性最优化分配扭矩。
3.根据权利要求2所述的一种双电机串联两极减速器的控制方法，其特征在于：
所述档位经济性最优化分配扭矩的方法是：
单使用主电机（3）时，上一个时间周期的轮边扭矩为T1(t)、车速为S1(t)，根据变速器（2）速比1档得出电机端总扭矩Ts1(t)、主电机（3）转速n1(t)，变速器（2）速比2档得出电机端总扭矩Ts2(t)、主电机（3）转速n2(t)；
经济性最优化的目标是找到一个变速器（2）速比来使瞬时能量损失函数最小，瞬时能量损失函数的公式如下：
J=L(K)+LCD
J是瞬间的总损失包括：主电机（3）的能量损失L(k)、主电机（3）后端的传动系统能量损耗LCD；通过计算得知不同档位下的主电机（3）的不同的能量损失L(k1)，L(k2)，得出瞬时能量损失函数最小数值Jmin；
其中，L(k1)，L(k2)计算公式如下：
L(k1)= Ts1(t) *n1(t) *(1-(griddata(Ts1(t), n1(t)))/ 9550；
L(k2)= Ts2(t) *n2(t) *(1-(griddata(Ts2(t), n2(t)))/ 9550。
4.根据权利要求2所述的一种双电机串联两极减速器的控制方法，其特征在于：
所述扭矩经济性最优化分配扭矩的方法是：
主电机（3）和辅电机（5）工作时，上一个时间周期的轮边扭矩为T(t)、车速为S(t)，根据变速器（2）速比得出电机端总扭矩Ts(t)、串联电机轴转速n(t)，经济性最优化的目标是找到辅电机（5）扭矩输入Tm(t)来使瞬时能量损失函数最小，瞬时能量损失函数的公式如下：
J= Lm(t)+ La(t)+ Lc(t)
J是瞬间的总损失，包括主电机（3）的能量损失Lm(t)、辅电机（5）的能量损失La(t)、离合器（4）结合的能量损耗及其他能量损耗Lc(t) ；
双电机工作时，进行扭矩分配，计算所有可能状态下扭矩分配下的损耗最小值，Lm(t)≠0，La(t)≠0，Lc(t)≠0；根据主电机（3）和辅电机（5）的效率MAP，计算Lm(t)，La(t)，Lc(t)，得出瞬时能量损失函数最小数值Jmin；
其中，Lc(k)根据双电机台架实验实测得出，Lm(t)，La(t)计算公式如下：
Ts(t) =Tm(t) +Ta(t)；
La(t) = Ta(t) *n(t) *(1-(griddata(Ta(t), n(t)))/ 9550；
Lm(t)= T (t) *n(t) * (1-(griddata(Tm(t), n(t)))/ 9550
其中Ts(t)为电机端总扭矩，Tm(t)为主电机的分配扭矩，Ta(t)为辅助电机的分配扭矩，griddata（）为利用效率MAP，转速扭矩数值进行线性插值计算得到的瞬时效率值，n(t)为两个电机结合后的串联电机轴转速。
5.根据权利要求2所述的一种双电机串联两极减速器的控制方法，其特征在于：主电机（3）和辅电机（5）一起进行驱动时有相同的转速，上一个时间周期转速n(t)及总扭矩Ts (t)在瞬时看做定值，使用粒子群策略，查找总扭矩中合适的扭矩分配点。
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