面向能耗的純電動汽車雙電機(jī)動力系統(tǒng)控制策略

李聰波,陳文倩,趙來杰,肖衛(wèi)洪

(重慶大學(xué) 機(jī)械傳動國家重點實驗室,重慶 400030)

0 引言

電動汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性一直是電動汽車性能的評價指標(biāo)，良好的動力性能夠滿足駕駛過程急加速的需求，較好的經(jīng)濟(jì)性能夠滿足汽車的續(xù)航里程需求。然而，由于電機(jī)效率在各個工作點上存在差異，導(dǎo)致汽車動力性和經(jīng)濟(jì)性之間存在不可避免的矛盾，而電動汽車合理的控制策略能在一定程度上兼顧兩者在不同時刻的需求，調(diào)節(jié)兩者之間的矛盾。

因此，一些學(xué)者開始以電動汽車動力性和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)對動力總成系統(tǒng)的換擋控制策略展開研究。在單電機(jī)多檔動力系統(tǒng)換擋控制策略研究方面，Mousavi等[1]提出一種無動力中斷的兩檔變速器，以最短換擋時間和能量損失為目標(biāo)制定了最優(yōu)的換擋策略；Hu等[2]在分析換擋前后扭矩波動的基礎(chǔ)上，提出兩檔變速器的換擋策略，并以減少換擋沖擊為目標(biāo)提出換擋過程中的扭矩補(bǔ)償策略；江清華[3]根據(jù)電池系統(tǒng)的荷電狀態(tài)，分別制定了基于車速、油門開度和加速度的三參數(shù)最佳動力性換擋規(guī)律和最佳經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律；Nandi等[4]提出一種滿足駕駛舒適性的電動汽車駕駛策略，利用粒子群算法以最短加速時間和最小電池消耗為目標(biāo)尋求汽車最優(yōu)加速度。

雙電機(jī)動力系統(tǒng)因其更優(yōu)的動力性能和經(jīng)濟(jì)性能而被廣泛研究[5-8]，然而雙電機(jī)動力系統(tǒng)存在多種工作模式，對雙電機(jī)的控制涉及兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩分配及工作模式劃分，從而使雙電機(jī)動力系統(tǒng)的控制更加復(fù)雜。在雙電機(jī)動力系統(tǒng)控制策略研究方面，張運(yùn)昌[5]通過計算動力模式和經(jīng)濟(jì)模式需求轉(zhuǎn)矩，基于最小電功率原則進(jìn)行工作模式的劃分以及耦合模式轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的分配；Zhang等[6]以最小能量消耗和模式更換頻率為目標(biāo)對雙電機(jī)動力系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化分析，得到了不同工作模式的工作點和電機(jī)功率分配策略；劉德春[7]在提出控制策略框架的基礎(chǔ)上對需求轉(zhuǎn)矩和補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了分析計算，并對耦合模式下兩個電機(jī)轉(zhuǎn)矩的分配進(jìn)行了分析;Hu等[8]提出一種新的雙電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩耦合構(gòu)型，并對其4種模式切換策略進(jìn)行分析，仿真結(jié)果表明該雙電機(jī)動力系統(tǒng)比單電機(jī)兩檔傳動系統(tǒng)具有更高的能量利用率。

以上研究所提出的雙電機(jī)動力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩耦合模式均通過太陽輪實現(xiàn)，使得電動汽車在低速運(yùn)行時動力強(qiáng)勁，但中速時的動力性能較差。而且，以上研究中所提出的基于經(jīng)濟(jì)性的控制策略在轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償時并未充分考慮電池、電機(jī)的負(fù)荷信息，在電機(jī)高負(fù)荷或電池低電量時進(jìn)行補(bǔ)償極易損壞電機(jī)和電池。

因此，筆者在前期研究中提出一種新型雙電機(jī)動力系統(tǒng)，其特點是能夠避免多個制動器、離合器同時使用，而且轉(zhuǎn)矩耦合在齒圈上進(jìn)行，很好地解決了中速時動力不足的問題[9]。本文面向能耗對其控制策略展開研究，首先制定面向能耗的雙電機(jī)動力系統(tǒng)控制策略框架；然后基于電機(jī)、電池等因素提出電動汽車需求扭矩的獲取方法及補(bǔ)償扭矩的補(bǔ)償策略，在此基礎(chǔ)上對雙電機(jī)動力系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩分配及工作模式劃分；最后基于Simulink對所提出的控制策略進(jìn)行仿真分析，以驗證其可靠性。

1 面向能耗的雙電機(jī)動力系統(tǒng)控制策略框架

1.1 問題描述

前期研究提出一種既滿足汽車行駛的轉(zhuǎn)速耦合要求，又滿足轉(zhuǎn)矩耦合要求的雙電機(jī)動力系統(tǒng)新構(gòu)型。該構(gòu)型結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、便于布置，并避免了多個制動器、離合器的同時使用，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中M1，M2為兩個驅(qū)動電機(jī)，B1，B2為單向軸承，S為太陽輪，P為行星輪，R為齒圈，PC為行星架，C為自動換向機(jī)構(gòu)。根據(jù)自動換向機(jī)構(gòu)的不同工作位置，雙電機(jī)動力系統(tǒng)有4種不同的工作模式，如表1所示。

表1 雙電機(jī)動力系統(tǒng)工作模式

1.2 雙電機(jī)動力系統(tǒng)控制策略框架

實現(xiàn)雙電機(jī)動力系統(tǒng)實時高效控制的首要目標(biāo)是根據(jù)油門踏板開度、車速等信息準(zhǔn)確獲得電動汽車需求扭矩，進(jìn)而制定電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分配策略，提升整車經(jīng)濟(jì)性能和動力性能。為此，從電動汽車整車動力控制角度提出雙電機(jī)動力系統(tǒng)控制策略總體框架，如圖2所示。

雙電機(jī)動力系統(tǒng)控制策略主要包括兩個方面：

(1)需求轉(zhuǎn)矩計算 基于駕駛員對加速踏板的控制信息，同時考慮車輛狀態(tài)信息(實時車速、道路坡度等)、電機(jī)狀態(tài)(電機(jī)啟停、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速等)和電池信息(溫度、剩余電量)等對電動汽車需求轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實時計算。

(2)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩分配及工作模式劃分 在需求轉(zhuǎn)矩計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)最小能耗原則，對轉(zhuǎn)速耦合兩種工作模式下的兩個電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的最優(yōu)分配，并在此基礎(chǔ)上尋求雙電機(jī)動力系統(tǒng)各工作點能耗最低的工作模式。

以重慶某汽車有限公司某型號純電動車為研究對象，其動力性指標(biāo)為：最高車速vmax=120 km/h，百公里加速時間at=18 s，最大爬坡度Imax=30%。該電動汽車的整車基本參數(shù)如表2所示，對其進(jìn)行的雙電機(jī)動力系統(tǒng)參數(shù)匹配如表3所示。

表2 整車參數(shù)

表3 動力系統(tǒng)參數(shù)

2 電動汽車需求轉(zhuǎn)矩的獲取

需求轉(zhuǎn)矩獲取的實質(zhì)為不同道路情況下對駕駛員意圖進(jìn)行解析，以獲得汽車行駛所需求的轉(zhuǎn)矩，包括基本轉(zhuǎn)矩和補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，即

Treq=Tb+Tadd。

(1)

式中：Tb表示電動汽車行駛所需的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)矩；Tadd表示為提高電動汽車動力性能增加的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩。

2.1 基本轉(zhuǎn)矩的確定

由于加速踏板開度與轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)采用“直線型”方式(如圖3實線)控制較為簡單，常用于早期驅(qū)動系統(tǒng)的控制策略中，能夠滿足汽車行駛的基本要求；然而統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在新歐洲行駛工況(New European Driving Cycle，NEDC)行駛過程中，“直線型”控制方式下，加速踏板開度在40%以內(nèi)的情況占了90%整體車況，如圖4所示，該設(shè)置方式極不合理，不符合駕駛習(xí)慣。若為“上凸型”動力輸出策略，則可使電動汽車在絕大部分時間內(nèi)保持較優(yōu)的加速性能。然而，較優(yōu)的加速性能需要動力電池時刻提供較大的放電倍率，從而不但可能降低電池的使用壽命，而且增加了電動汽車的能耗，降低了電動汽車的續(xù)航里程。

基于此，本節(jié)從降低能耗的角度出發(fā)，基于標(biāo)準(zhǔn)工況需求轉(zhuǎn)矩統(tǒng)計信息對“直線型”曲線進(jìn)行修正，采用“下凹型”[10]轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)和加速踏板開度曲線的控制方式，如圖3虛線所示。由標(biāo)準(zhǔn)工況統(tǒng)計信息表明，本文提出的雙電機(jī)動力系統(tǒng)的工況轉(zhuǎn)矩負(fù)荷率幾乎均在40%以內(nèi)，為了降低汽車能耗，設(shè)置系統(tǒng)總負(fù)荷率為95%，即加速踏板開度0～100%對應(yīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩負(fù)荷率0～95%；且為滿足汽車在急加速或爬坡過程的轉(zhuǎn)矩需求，剩余5%的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷可用于轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。同時，本文綜合考慮駕駛員習(xí)慣和經(jīng)濟(jì)性，對其他曲線擬合點進(jìn)行定義，如表4所示。

表4 踏板開度與負(fù)載系數(shù)關(guān)系

由圖3可得，在電動汽車標(biāo)準(zhǔn)工況行駛過程中，大部分時間油門開度覆蓋在60%以內(nèi)，采用本文提出的“下凹型”轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)和加速踏板開度曲線的控制方式，能夠保證在較好駕駛舒適性的同時具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

汽車基本轉(zhuǎn)矩表示汽車為達(dá)到目標(biāo)車速所需要的轉(zhuǎn)矩，其輸出值的大小與汽車加速踏板開度(k)信息密切相關(guān)，駕駛員能通過控制加速踏板開度直接控制汽車轉(zhuǎn)矩的輸出。令k-l曲線滿足l=f(k)，則有基本轉(zhuǎn)矩Tb滿足

Tb(k)=l·Tvmax=f(k)·Tvmax。

(2)

式中：Tb(k)表示車速v下加速踏板開度為k時所對應(yīng)的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)矩；Tvmax為車速v下電動汽車能提供的最大扭矩。

為快速準(zhǔn)確獲得電動汽車在車速v時能提供的最大扭矩Tvmax，需根據(jù)雙電機(jī)動力系統(tǒng)參數(shù)繪制基于汽車時速和車輪扭矩的等效驅(qū)動力圖，并對工作模式進(jìn)行劃分，如圖5所示。

由圖5可知，在整個汽車行駛速度范圍內(nèi)，最大驅(qū)動力可按照車速分為5個區(qū)間：

(1)電機(jī)M1單獨(dú)驅(qū)動時的峰值恒扭矩驅(qū)動力：

(3)

(2)電機(jī)M1單獨(dú)驅(qū)動時的恒功率驅(qū)動力

(4)

(3)雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合驅(qū)動時的峰值恒扭矩驅(qū)動力：

(5)

(4)雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合驅(qū)動時的恒功率驅(qū)動力

(6)

(5)雙電機(jī)轉(zhuǎn)速耦合驅(qū)動時，最大驅(qū)動力由電機(jī)M2決定，此時

(7)

由表4可知加速踏板開度對應(yīng)下的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)，從而根據(jù)車速信息求得該車速下的最大驅(qū)動力，進(jìn)而獲得電動汽車雙電機(jī)動力系統(tǒng)的基本扭矩Tb。

2.2 基于低能耗的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償策略

為提高汽車在爬坡和急加速情況下的動力性，需對基本轉(zhuǎn)矩進(jìn)行一定補(bǔ)償[11-12]；為提高電動汽車經(jīng)濟(jì)性，本文制定的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償策略不僅與踏板信息、道路信息有關(guān)，還與電機(jī)信息和電池信息相關(guān)，如圖6所示。其中，踏板開度變化率和坡度信息最能反映急加速和爬坡情況，為電動汽車轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償提供信號支持，動力電池和驅(qū)動電機(jī)的實時信息則為轉(zhuǎn)矩最優(yōu)補(bǔ)償提供約束條件。具體如下：

(1)電池信息 急加速或者爬坡過程中，對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償時，需考慮此時電池SOC和電池溫度T。電池SOC較低或放電電流過大，造成電池溫度過高時，較大的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩容易造成電池放電過快，降低電動汽車?yán)m(xù)航里程，甚至?xí)档碗姵氐氖褂脡勖?，不宜對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償。因此，對雙電機(jī)動力系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償時需滿足以下兩個條件：

(8)

式中：SOC(t)表示動力電池的實時剩余電量，SOClim表示電動汽車進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償時動力電池的臨界剩余電量，考慮到電動汽車動力電池最低SOC值為10%左右，本文設(shè)置SOClim=20%；T(t)表示動力電池的實時溫度，Tlim表示電動汽車進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償時動力電池的臨界溫度。

(2)電機(jī)信息 由電動汽車效率特性分析可知，電機(jī)工作區(qū)間對電動汽車能耗有重要影響。電機(jī)負(fù)荷率較低時，適當(dāng)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償可使電機(jī)工作在更高效的區(qū)間。而在電機(jī)負(fù)荷率較高的情況下不宜進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，否則會降低電機(jī)工作效率，不利于提高續(xù)航里程，甚至損壞電機(jī)。因此，由基礎(chǔ)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩可以得到實時電機(jī)負(fù)荷率，通過分析電機(jī)效率MAP圖可知，當(dāng)電機(jī)負(fù)荷率γ超過60%時，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償易降低電機(jī)效率。因此本文對雙電機(jī)動力系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償時需滿足

(9)

(3)踏板信息 踏板信息能在一定程度上反映急加速意圖，故補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩Tadd1的大小一方面和加速踏板開度有關(guān)，另一方面與加速踏板開度變化率有關(guān)，即

(10)

式中：Tadd1表示急加速補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩；dk/dt表示加速踏板開度變化率。

為根據(jù)加速踏板開度變化率對轉(zhuǎn)矩提供準(zhǔn)確有效的補(bǔ)償，對NEDC標(biāo)準(zhǔn)工況下加速踏板開度變化情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖7所示。

以上結(jié)果表明，采用本文提供的“下凹型”動力輸出策略時，加速踏板開度變化率范圍為0～30%?？紤]到實際路況下車輛的需求加速度大于NEDC標(biāo)準(zhǔn)工況下的車輛需求加速度，即實際路況下的加速踏板開度變化率大于NEDC標(biāo)準(zhǔn)工況下的加速踏板開度變化率，本文設(shè)定實際加速踏板開度變化率范圍2倍于NEDC工況，即設(shè)置加速踏板開度變化率范圍為0～60%時進(jìn)行扭矩線性補(bǔ)償，大于60%時進(jìn)行恒扭矩補(bǔ)償，也就是開度變化率為60%及以上時，以電動汽車輸出的最大轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償。令a為加速踏板開度變化率系數(shù)，a的變化范圍為0～100%，與踏板開度變化率成正比，其關(guān)系如圖8所示。

由式(10)可知，急加速補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩與加速踏板開度及開度變化率相關(guān)，當(dāng)加速踏板開度一定時，對應(yīng)車速下的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)矩一定，可通過加速踏板開度變化率調(diào)整補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩大小，即應(yīng)適當(dāng)增大開度變化率較大時的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，適當(dāng)減小開度變化率較小時的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。針對加速踏板信息設(shè)定的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩滿足

Tadd1=(Tvmax-Tb(k))·a=

(11)

式中m1為急加速比例系數(shù)。

(4)道路信息 根據(jù)道路坡度情況實時對基礎(chǔ)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償，有利于提高電動汽車的駕駛舒適性。補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩與爬坡時加速踏板開度k有關(guān)，即補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩滿足

Tadd2=f(k,θ)。

(12)

根據(jù)設(shè)計指標(biāo)的要求，雙電機(jī)動力系統(tǒng)電動車的最大爬坡度為30%。與急加速時轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償策略類似，設(shè)置坡度θ與坡度系數(shù)b滿足正比關(guān)系，如圖9所示。

因此，可得電動汽車爬坡時的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩

Tadd2=(Tvmax-Tb(k))·b

=(Tvmax-Tb(k))·m2θ。

(13)

式中m2為爬坡比例系數(shù)。

電動汽車滿足電池約束和電機(jī)約束條件時，可在急加速或者爬坡時進(jìn)行一定轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以保證電動汽車在具有良好經(jīng)濟(jì)性的同時兼顧動力性。計算得電動汽車的實時需求轉(zhuǎn)矩

Treq=

(14)

3 面向能耗的雙電機(jī)動力系統(tǒng)動力分配策略

為確定雙電機(jī)動力系統(tǒng)工作模式，需根據(jù)電動汽車行駛工況對4種工作模式下的能耗進(jìn)行計算，具體如下：駕駛員通過控制加速踏板開度達(dá)到目標(biāo)車速，根據(jù)第2章方法獲得電動汽車行駛需求扭矩；基于轉(zhuǎn)速耦合和轉(zhuǎn)矩耦合工作模式進(jìn)行兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩分配，計算各個工作模式的最小能量消耗，并對結(jié)果進(jìn)行對比，得出能耗最小的工作模式，即為雙電機(jī)動力系統(tǒng)等效驅(qū)動力圖上對應(yīng)工作點的最優(yōu)工作模式。

3.1 雙電機(jī)動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩分配策略

3.1.1 轉(zhuǎn)矩耦合模式轉(zhuǎn)矩分配策略

雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合模式下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速滿足

(15)

式中：T1，T2分別表示電機(jī)M1和電機(jī)M2的轉(zhuǎn)矩；n1，n2分別表示電機(jī)M1和電機(jī)M2的轉(zhuǎn)速；Ti，vi分別表示汽車在工作點i時的車輪驅(qū)動力矩和車速。

本文提出的雙電機(jī)動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩耦合工作模式是基于電機(jī)M1和電機(jī)M2同時作用在齒圈上的工作原理，因此只要兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速滿足汽車車速，兩電機(jī)轉(zhuǎn)矩相對獨(dú)立，就可在允許的工作范圍內(nèi)任意組合。為實現(xiàn)最小能量消耗，制定了兩電機(jī)轉(zhuǎn)矩最優(yōu)分配流程，如圖10所示。

根據(jù)圖10的轉(zhuǎn)矩分配流程圖可得，電機(jī)M1的初始轉(zhuǎn)矩T10取電機(jī)M1轉(zhuǎn)矩范圍的最小值，ΔT表示每一次迭代過程中電機(jī)M1的轉(zhuǎn)矩增量，ΔT=1 Nm；已知需求轉(zhuǎn)矩Treq和電機(jī)M1的轉(zhuǎn)矩Ti，相應(yīng)電機(jī)M2的轉(zhuǎn)矩T2i=Treq-Ti。通過以上迭代流程，可以找出滿足車速v0的最小能耗組合，其對應(yīng)的兩個電機(jī)轉(zhuǎn)矩即為該情況下的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩組合。

據(jù)以上分配流程求得雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配策略表如圖11所示，其中行表示轉(zhuǎn)矩耦合工作時的汽車車輪需求扭矩(300 Nm～1 200 Nm)，列表示汽車目標(biāo)時速范圍(30 km/h～90 km/h)，表中對應(yīng)的數(shù)值表示轉(zhuǎn)矩耦合時電機(jī)M1的轉(zhuǎn)矩分配值。電機(jī)M2轉(zhuǎn)矩可通過計算得到，此時電動汽車的能量效率最高。

3.1.2 轉(zhuǎn)速耦合模式轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩分配策略

轉(zhuǎn)速耦合模式工作時，電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速滿足：

(16)

(17)

式中α表示行星齒輪特征參數(shù)。

采用雙電機(jī)轉(zhuǎn)速耦合驅(qū)動時，電機(jī)M1和電機(jī)M2轉(zhuǎn)矩之間有固定比例，可通過需求轉(zhuǎn)矩對電機(jī)各自轉(zhuǎn)速進(jìn)行約束。以電機(jī)能耗消耗最低為原則制定的雙電機(jī)轉(zhuǎn)速分配流程如圖12所示。

圖中初始轉(zhuǎn)速n10取電機(jī)M1轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最小轉(zhuǎn)速；Δn表示每一次迭代過程中電機(jī)M1的轉(zhuǎn)速增量，取為5 r/min。

在滿足電機(jī)轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上，需確定電機(jī)M1和電機(jī)M2工作轉(zhuǎn)速的范圍。根據(jù)需求轉(zhuǎn)矩可得電機(jī)M1和電機(jī)M2的扭矩，進(jìn)而確定各自工作轉(zhuǎn)速。兩電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速需滿足：

(18)

根據(jù)以上流程求得的電動汽車轉(zhuǎn)速分配策略表如圖13所示，表中對應(yīng)的數(shù)值為效率較高時電機(jī)M1分配的轉(zhuǎn)速，電機(jī)M2的轉(zhuǎn)速可通過計算求得。

3.2 面向能耗的雙電機(jī)動力系統(tǒng)工作模式劃分

基于電動汽車最少能量消耗的原則對雙電機(jī)動力系統(tǒng)工作模式進(jìn)行劃分，即確定等效驅(qū)動力圖上不同工作點能量消耗最少的工作模式。

面向能耗的電動汽車雙電機(jī)動力系統(tǒng)工作時消耗的能量為

E=min(E1,E2,E3,E4)。

(19)

式中E1，E2，E3，E4分別為4種工作模式工作時消耗的能量。

(1)工作模式1的能耗

工作模式1的動力系統(tǒng)能耗主要與電機(jī)工作效率和減速器效率有關(guān)。在滿足電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)能耗主要指電機(jī)M1的輸入能量，有

(20)

(21)

式中：η1表示電機(jī)M1工作點處的實時效率，Δt表示電機(jī)實時效率所對應(yīng)時間點的鄰域范圍。

(2)工作模式2的能耗

雙電機(jī)動力系統(tǒng)工作模式2的能量消耗計算方法與工作模式1相同，在滿足電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上，有

(22)

式中η2表示電機(jī)M2工作點處的實時效率。故此時模式1和模式2的能量消耗主要由電機(jī)實時效率決定。

(3)工作模式3的能耗

在雙電機(jī)動力系統(tǒng)工作模式3中，電機(jī)M1和電機(jī)M2可通過協(xié)調(diào)各自的轉(zhuǎn)矩來滿足需求轉(zhuǎn)矩，此時兩者轉(zhuǎn)速隨著車速自動調(diào)節(jié)。因此，此時雙電機(jī)動力系統(tǒng)能耗由兩個電機(jī)能耗之和構(gòu)成，即

式中EM1，EM2分別表示電機(jī)M1和電機(jī)M2的能耗。每個電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可根據(jù)3.1節(jié)的雙電機(jī)動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩耦合下兩個電機(jī)轉(zhuǎn)矩的分配策略得出。

(4)工作模式4的能耗

工作模式4中行星機(jī)構(gòu)太陽輪和齒圈上的轉(zhuǎn)矩存在固定關(guān)系，只需通過調(diào)節(jié)各自轉(zhuǎn)速即可滿足車速要求。此時雙電機(jī)動力系統(tǒng)能耗由電機(jī)M1和電機(jī)M2的能耗共同組成：

每個電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可根據(jù)3.1節(jié)的雙電機(jī)動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)速耦合下兩個電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的分配策略得出。因此，根據(jù)以上各個模式能耗計算方法對等效驅(qū)動力圖中各個工作點能耗進(jìn)行計算，可確定車速vi和需求轉(zhuǎn)矩Ti下消耗能量最小的工作模式。選擇各個工作點上能耗最小的工作模式為電動汽車工作模式，對等效驅(qū)動力圖進(jìn)行模式劃分，如圖14所示。

由以上工作模式劃分圖可知：

(1)當(dāng)汽車目標(biāo)車速滿足012v，則電機(jī)M1單獨(dú)工作。

(2)當(dāng)汽車目標(biāo)車速滿足214 257.75-134.75v，則雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合工作。

(3)當(dāng)汽車目標(biāo)車速滿足29476.55-4.36v，則雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合。

(4)當(dāng)汽車目標(biāo)車速滿足5122.22v-879.33，則雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合工作。

(5)當(dāng)汽車目標(biāo)車速滿足60472.46-0.31v，則雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合工作。

(6)當(dāng)汽車車速滿足86472.46-0.31v，則雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合工作。

(7)當(dāng)汽車目標(biāo)車速滿足v>101 km/h時，雙電機(jī)轉(zhuǎn)速耦合驅(qū)動工作。

4 基于Simulink的雙電機(jī)動力系統(tǒng)控制策略仿真

正向仿真主要指駕駛員根據(jù)目標(biāo)車速和實際車速信息執(zhí)行加速踏板開度命令，將加速踏板開度信號轉(zhuǎn)化為電動汽車需求轉(zhuǎn)矩。然后運(yùn)行雙電機(jī)控制策略，將需求轉(zhuǎn)矩分配到兩個電機(jī)，并通過行星機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩耦合，將動力輸出到車輪上，以滿足實際功率流方向的正向傳送。進(jìn)而計算車輪驅(qū)動力和汽車的實際速度，并將汽車的實際車速反饋到駕駛員模型中，再次調(diào)整踏板開度來驅(qū)動汽車行駛，如圖15所示。此外，本文雙電機(jī)動力系統(tǒng)的正向仿真針對的是總體控制策略的仿真過程，而對雙電機(jī)4種工作模式的具體切換過程在仿真時默認(rèn)為是理想的，即切換時間默認(rèn)為是接近于0的恒常數(shù)，切換平順性默認(rèn)為平順。

4.1 雙電機(jī)動力系統(tǒng)仿真模型的建立

由正向仿真流程可知，雙電機(jī)動力系統(tǒng)仿真模型主要包括工況模型、駕駛員模型、整車動力學(xué)模型、主傳動系統(tǒng)模型、行星耦合機(jī)構(gòu)模型、控制策略模型、電機(jī)模型和電池模型。借助MATLAB/Simulink模塊依次對各個模塊進(jìn)行建模，以對雙電機(jī)動力系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真分析，其動力系統(tǒng)仿真整體模型如圖16所示?？紤]加速踏板開度的實時變化，圖中利用PID控制進(jìn)行實際車速與目標(biāo)車速的偏差調(diào)控。

需求轉(zhuǎn)矩獲取模塊主要由需求轉(zhuǎn)矩獲取模塊、工作模式選擇模塊和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩分配模塊3部分組成，該模塊可實現(xiàn)電動汽車需求轉(zhuǎn)矩的計算以及動力的高效分配，具體如圖17～圖19所示。

4.2 仿真結(jié)果分析

將第1.2節(jié)的雙電機(jī)動力系統(tǒng)參數(shù)代入以上建立的電動汽車仿真模型，具體如表3所示。以NEDC標(biāo)準(zhǔn)工況為例進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖20和圖21所示。圖20為雙電機(jī)動力系統(tǒng)的工況車速跟隨情況，可以看出，整個工況過程中的汽車車速跟隨較好，同時在加速過程中具有一定的補(bǔ)償能力，具體補(bǔ)償情況如圖21所示。

采用雙電機(jī)動力系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動時，根據(jù)工況車速和需求扭矩信息，基于兩電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速分配規(guī)則，自動匹配雙電機(jī)的不同工作模式，從而在滿足動力需求的同時保證了較低的能耗。在仿真過程中，雙電機(jī)動力系統(tǒng)工作模式隨NEDC工況切換的情況如圖22所示，圖中“0”表示汽車停車狀態(tài)，“1～4”分別表示4種工作模式。兩個電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩情況如圖23和圖24所示。

通過以上仿真分析可知，采用雙電機(jī)動力系統(tǒng)的電動汽車可滿足汽車的道路行駛要求。同時，基于電池剩余電量對雙電機(jī)動力系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，NEDC工況下的電池剩余電量曲線如圖25所示。在電池SOC=10%時，雙電機(jī)動力系統(tǒng)的電動汽車行駛里程為189.2 km，較原車采用單電機(jī)動力系統(tǒng)續(xù)航里程170 km有一定的提升。

5 結(jié)束語

本文基于電動汽車能耗提出了雙電機(jī)動力系統(tǒng)控制策略，即結(jié)合“下凹型”控制方式及動力性轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償策略獲取電動汽車的需求扭矩，進(jìn)而制定雙電機(jī)耦合工作模式下的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩分配策略，并基于最小能耗法對雙電機(jī)動力系統(tǒng)工作模式進(jìn)行劃分，在保證電動汽車動力性的同時充分提高其經(jīng)濟(jì)性能。然后通過MATLAB/Simulink仿真平臺建立了雙電機(jī)動力系統(tǒng)的仿真模型，并分別在NEDC工況下進(jìn)行車速跟隨、扭矩補(bǔ)償及工作模式隨時間切換情況的雙電機(jī)動力系統(tǒng)控制策略仿真分析，驗證了雙電機(jī)動力系統(tǒng)控制策略的可靠性。

本文所提出的雙電機(jī)動力系統(tǒng)控制策略主要是通過理論的分析，輔以MATLAB/Simulink仿真平臺對其可靠性進(jìn)行仿真驗證，未通過樣機(jī)實驗進(jìn)行進(jìn)一步的分析驗證，因此通過雙電機(jī)動力系統(tǒng)進(jìn)行樣機(jī)試制及裝車實驗以對其進(jìn)行實踐驗證，是下一步研究的重點。

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