面向能耗的純電動汽車雙電機(jī)動力系統(tǒng)控制策略

張智明，戴俊陽

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804；2.賽克大眾汽車有限公司，上海 201804）

1 雙電機(jī)電力系統(tǒng)能耗控制策略框架

1.1 問題描述

之前的研究提出了一種新的雙電機(jī)電力系統(tǒng)配置，既滿足車輛的轉(zhuǎn)速耦合要求，又滿足扭矩耦合要求。結(jié)構(gòu)簡單，體積小，易于安排，避免同時使用多個剎車和離合器。

1.2 雙電機(jī)電力系統(tǒng)控制策略框架

實(shí)時和高效的主要目標(biāo)控制的雙動力系統(tǒng)是準(zhǔn)確獲取需求扭矩的電動汽車基于信息如油門踏板開度和車速，然后制定電動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分配策略來提高車輛的經(jīng)濟(jì)性能和動態(tài)性能。

雙電機(jī)電力系統(tǒng)控制策略主要包括兩個方面：

（1）需求扭矩的計算是基于司機(jī)油門踏板的控制信息，考慮車輛狀態(tài)信息，運(yùn)動狀態(tài)(電機(jī)啟動和停止、轉(zhuǎn)矩速度，等等)和電池信息、剩余量的實(shí)時計算電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求。

（2）速度轉(zhuǎn)矩的需求分配，結(jié)合實(shí)際的能耗最小化情況，執(zhí)行速度轉(zhuǎn)矩的最優(yōu)分布在兩個汽車速度耦合的兩種模式，并在此基礎(chǔ)上，確定能耗的最低點(diǎn)為雙電機(jī)功率的系統(tǒng)工作點(diǎn)。

2 電動汽車需求轉(zhuǎn)矩的獲取

需求扭矩獲取的實(shí)質(zhì)是分析駕駛員在不同路面條件下的意愿，獲取車輛行駛所需的扭矩，包括基本扭矩和補(bǔ)償扭矩。

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

油門踏板開啟在40%以內(nèi)占到整車工況的90%。這種設(shè)置方式極不合理，不符合駕駛習(xí)慣。然而，優(yōu)越的加速性能要求動力電池始終提供大的放電速率，這不僅會降低電池壽命，還會增加電動汽車的能耗，降低電動汽車的巡航距離。

在此基礎(chǔ)上，從降低能耗的角度出發(fā)，本節(jié)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工況要求扭矩統(tǒng)計量對“直線”曲線進(jìn)行修正，采用“下凹型”扭矩載荷因子和油門踏板開啟曲線控制方法。

本文在要求上提出的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷率控制在40%以內(nèi)，以低能耗消耗為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)總負(fù)載率控制到95%，可以實(shí)現(xiàn)在油門的開度上以0-100%情況下，其系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩負(fù)荷率控制在0-95%之間，可以滿足汽車的正常加速爬升等需求。剩余5%的扭矩負(fù)載可用于扭矩補(bǔ)償。如表1所示為兩者之間存在的關(guān)系。

表1 踏板開度與負(fù)載系數(shù)關(guān)系

為了快速、準(zhǔn)確地獲得最大轉(zhuǎn)矩Tvmax電動汽車能提供車輛速度 v，同等動力地圖根據(jù)車速和方向盤轉(zhuǎn)矩畫根據(jù)雙電機(jī)功率系統(tǒng)的參數(shù)。

2.2 基于低能耗的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償策略

為了提高汽車在爬升和加速工況下的動力性，需要對基本扭矩進(jìn)行補(bǔ)償。細(xì)節(jié)如下：

（1）適當(dāng)?shù)呐ぞ匮a(bǔ)償可以使電機(jī)在更有效的范圍內(nèi)運(yùn)行。在電機(jī)負(fù)載因數(shù)較高的情況下，扭矩補(bǔ)償不合適，否則會降低電機(jī)的工作效率，因此，通過分析電機(jī)效率地圖地圖，當(dāng)電動機(jī)負(fù)載因子γ超過60%，轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償很容易降低發(fā)動機(jī)效率。

（2）道路信息根據(jù)道路坡度，實(shí)時對基本扭矩進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償，有利于提高電動汽車的行駛舒適性。

3 面向能耗的雙電機(jī)動力系統(tǒng)動力分配策略

圖2 轉(zhuǎn)矩分配流程

為了實(shí)現(xiàn)最小能耗，開發(fā)了雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配過程，如圖2所示。

根據(jù)圖4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，在這種情況下，對應(yīng)的兩個電機(jī)扭矩是最優(yōu)的扭矩組合。

4 基于Simulink的雙電機(jī)電力系統(tǒng)仿真策略控制

4.1 雙電機(jī)動力系統(tǒng)仿真模型的建立

動力系統(tǒng)仿真整體模型如圖3所示：

圖3 雙電機(jī)動力系統(tǒng)傳真模型

4.2 仿真結(jié)果分析

NEDC條件下剩余電池功率曲線如圖4所示。通過仿真的數(shù)據(jù)分析以及圖像顯示，在電池電量在只剩 10%，純電動車的雙電機(jī)動力系統(tǒng)在運(yùn)行時間上比單機(jī)動力系統(tǒng)的運(yùn)行時間較長，其能耗量較低，續(xù)航能力更強(qiáng)。

圖4 工況NEDC的電池剩余電量

5 結(jié)語

本文提出的雙電機(jī)電力系統(tǒng)控制策略主要是通過理論分析，通過仿真驗(yàn)證雙電機(jī)電力系統(tǒng)控制策略的可靠性。原型分析沒有進(jìn)行進(jìn)一步的分析和驗(yàn)證。因此，對雙電機(jī)電力系統(tǒng)的樣機(jī)試驗(yàn)和加載實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證實(shí)踐是下一步工作的重點(diǎn)。