一种纯电动四驱车辆整车最大可用扭矩估算方法与流程

1.本发明涉及汽车动力系统的能量管理技术，具体涉及纯电动四驱车辆运行过程中整车最大可用能力的估算。


背景技术：

2.纯电动四驱车辆运行过程中，前、后驱动系统的扭矩分配非常重要，现有技术通常是以满足总的驾驶员需求扭矩为前提，也有一些要兼顾动力系统驱动效率的想法，但均为按一定比例来进行前、后驱动系统的扭矩分配，无法满足实际过程中复杂多变的驾驶情况。
3.在四驱系统的扭矩分配中，扭矩估算是重要环节，而计算四驱车辆整车当前最大可用扭矩关键，因为首先要知道当前系统能够提供多大的扭矩，才能谈扭矩分配的问题，单纯将扭矩分配到最优，可能并不是电池的最大充放电功率。
4.现在已有的对于四驱电机的扭矩估算方法如下：首先根据电池的最大可用功率减去高压附件用电消耗，得到可供给电机所用的总功率。其中高压附件包括直流变换器、空调压缩机、空调制热模块、直流转220v交流控制器等。然后根据公式：功率＝电机平均效率*电机总扭矩*电机转速*系数，在已知功率和电机转速的情况下，换算出电机总的可用扭矩。
5.目前这种计算方式，存在的问题是：电机平均效率这个值不是一个准确值，该值估算过大会导致电池过充过放，从而损伤电池，该值估算过小则会使电池能力未得到充分发挥，电池会进行过量设计，引起成本增加。所以电机当前真实效率的估算就显得尤为重要。电机的效率在电机结构设计固定之后，影响电机效率的因素是：电机当前的转速和扭矩。而车辆前后两个电机的转速并不一致，前后速比一般不相同，如有的车辆确定前后电机之间的速比关系是3:1。即便是电机转速相同，四驱车辆在行驶过程中，前后电机的扭矩分配比也很少是刚好5:5，由于四驱车辆前后轴扭矩分配比会很大程度的影响车辆动力性、经济性及操控性，所以一般情况下，前后电机的实时扭矩是不一致的。因此，现有方法单纯的使用一个简单的经验值估算平均效率是不可取的。
6.中国专利申请号cn107640062a公开了《一种四驱电动汽车前后轴驱动扭矩分配控制方法》，其讨论了和路面附着系数对最优分配比的重新校核，但是路面附着系数可能存在估算不准的可能性，而且完全基于路面附着系数来进行前后轴扭矩分配比的分配极大的限制了车辆的其他可能分配比，也不利于经济性的考虑。
7.另外，还有一些文献，例如中国专利申请号cn109515211a公开了《一种纯电动电机输出扭矩计算方法》，给出一种通过电机自身稳定情况和物理特性限制条件下估算电机最大输出能力的方法，是对电机可用扭矩的一种估算。中国专利申请号cn110843551a公开了《一种四驱扭矩分配方法》，提出了一种基础四驱两个电机效率最高为目标的扭矩分配方法，但其研究的是扭矩分配环节，不能解决扭矩分配比变化后，如何动态的调整车辆当前的扭矩能力估算，使电池不出现过充过放的可能。


技术实现要素：

8.本发明针对现有技术存在的缺陷，提供一种纯电动四驱车辆整车最大可用扭矩估算方法，解决四驱车辆当前最大能够提供的扭矩大小是多少的问题，通过计算一个动态变化的动力系统可用扭矩，动态的调整车辆当前的扭矩能力估算，始终保证电池不出现过充和过放的同时最大限度的利用电池功率。
9.对于新能源汽车中的电池，本领域技术人员均知：
10.电池长时可放电功率(电池长时最大功率)：低于该功率时，电池可无限长时按照低于该功率的值进行功率输出。
11.电池短时可放电功率(电池短时最大功率)：等于该功率时，电池可在一定时间内(一般设计为：20s)按该功率输出。超过该时间，则电池将过热或发生其他寿命损伤。
12.电池长时可充电功率(电池长时最小功率)：低于该功率时，电池可无限长时按照低于该功率的值进行充电。
13.电池短时可充电功率(电池短时最小功率)：等于该功率时，电池只能以该功率充电不超过一定时间(一般设计为：20s)。也称电池短时最小功率。
14.以上几种功率，不同的主机厂或者电池厂家对长短时的具体时间小有差别，但都有长时放电和短时放电的区别。对于纯电动来说短时功率主要用于防扭震，对于混动汽车，短时功率主要用于提高发动机的响应性能。所以对时间的要求有所不同
15.本发明的技术方案如下：
16.一种纯电动四驱车辆整车最大可用扭矩估算方法，其包括如下步骤：
17.步骤1，计算动力系统的理论长/短时最大可用功率和理论长时/短时最小可用功率
18.步骤2，计算动力系统的理论最大可用扭矩；
19.步骤2.1，计算两个电机的实时当前效率：
20.步骤2.2，计算前后轴最大可用扭矩；
21.步骤2.3，计算当前动力系统最大/最小可用扭矩；
22.步骤3，对前后轴扭矩进行限制；
23.步骤4，对分配到前后轴的电机扭矩进行限制；
24.步骤5，前轴、后轴动力系统扭矩协调；
25.步骤6，基于触发条件，输出前后轴最大可用扭矩或循环计算得到新的前后轴最大可用扭矩并输出。
26.以下进一步具体说明上述方法的步骤：
27.步骤1，计算动力系统的理论长/短时最大可用功率和理论长时/短时最小可用功率。
28.计算公式如下：
29.动力系统的理论长/短时最大可用功率＝电池的长时/短时最大可用功率减去高压附件实际用电功率。
30.动力系统的理论长时/短时最小可用功率＝电池当前长时/短时的最小可用功率++高压附件实际用电功率。
31.步骤2，计算动力系统的理论最大可用扭矩(即机械能力估算)
32.步骤2.1：计算两个电机的实时当前效率：
33.前轴电机当前效率f1＝f(n，t
前轴分配扭矩
)
34.后轴电机当前效率f2＝f(n，t
后轴分配扭矩
)
35.其中，n为转速，f为效率，初始时刻效率赋值在0
‑
1之间根据调试情况选择，电机运行之后的效率根据前一刻的实际扭矩和前一刻的实际转速查电机效率表得到。
36.步骤2.2计算前后轴最大可用扭矩
37.首先，根据当前动力系统长时最大可用功率和当前车速，查四驱扭矩分配表得到给定功率下的理论最大前后轴扭矩分配比：
38.ε
理论最大前后轴扭矩分配比
＝f(p
动力系统长时最大可用功率
,v)
39.其中：p
动力系统长时最大可用功率
为步骤1中计算得到的理论动力系统的长/短时最大可用功率，或理论动力系统的长时/短时最小可用功率，在驱动时选前者进行计算，在能量回收时选后者进行计算，v为当前车速。
40.然后，根据前后轴电机的实时当前效率f1＝f(n，t
前轴分配扭矩
)f2＝f(n，t
后轴分配扭矩
)、车速和四驱最大扭矩分配比计算前后轴最大可用扭矩。
41.步骤2.3计算当前动力系统最大/最小可用扭矩；
42.在进行驱动时，当前系统的最大可用扭矩为：
43.t
动力系统最大可用扭矩
＝t
前轴最大可用扭矩
+t
后轴最大可用扭矩
44.在进行能量回收工况时，当前系统的最小可用扭矩为
45.t
动力系统最小可用扭矩
＝t
前轴最小可用扭矩
+t
后轴最小可用扭矩
。
46.步骤3，对前后轴扭矩进行限制
47.最大扭矩对驾驶员的驱动扭矩进行限制，取小；
48.最小扭矩对驾驶员的制动扭矩进行限制，绝对值取小：
49.当t
驾驶员需求扭矩
>0时：
50.t
车轮端运动扭矩
＝min(t
驾驶员需求扭矩
，t
动力系统最大可用扭矩
)；
51.当t
驾驶员需求扭矩
<0时：
52.t
车轮端运动扭矩
＝min(|t
驾驶员需求扭矩
|，|t
动力系统最大可用扭矩
|)。
53.步骤4，对分配到前后轴的电机扭矩进行限制
54.用步骤2估算出来的前后轴最大可用扭矩对四驱扭矩分配模块分配到前后轴的电机扭矩进行限制
55.t
前轴轮端扭矩协调
＝min(t
前轴轮端运动扭矩
，t
前轴最大可用扭矩
)
56.t
后轴轮端扭矩协调
＝min(t
后轴轮端运动扭矩
，t
后轴最大可用扭矩
)。
57.步骤5，前轴、后轴动力系统扭矩协调
58.对双重限制后的前后轴轮端运动扭矩，通过底盘扭矩干预，进行扭矩协调
59.t
前轴动力系统扭矩协调
＝t
前轴轮端运动扭矩
±
t
后轴底盘干预扭矩
60.t
后轴动力系统扭矩协调
＝t
后轴轮端运动扭矩
±
t
后轴底盘干预扭矩
61.当底盘干预请求标志位为升扭时取加号，为降扭时取减号。
62.步骤6，基于触发条件，输出前后轴最大可用扭矩或循环计算；
63.当：t
前轴最大可用扭矩
≥t
前轴动力系统扭矩协调
且t
后轴最大可用扭矩
≥t
后轴动力系统扭矩协调
时，
64.直接输出t
前轴动力系统扭矩协调
和t
后轴动力系统扭矩协调
；
65.否则，触发重新计算t
前轴最大可用扭矩
和t
后轴最大可用扭矩
，得到新的前后轴最大可用扭矩。
66.以上通过对总扭矩的限制、前后轴扭矩的限制以及扭矩干预后的能力重计算，实时调整可用扭矩，对输出扭矩进行适当限制，可保证电池不过充过放。
67.由以上方法可见，本方法是基于电机能力限制和最后分配比来核算，在何种分配比下，可以充分发挥电池的功率，使电池最大功率设计更合理，同时引入循环计算，反复迭代的最大可用扭矩计算模型，考虑了扭矩分配比变化后，如何动态的调整车辆当前的扭矩能力估算，使电池不出现过充过放的可能。
附图说明
68.图1是电池的长时/短时最大可用功率的示意图。
69.图2是对前后轴扭矩进行限制的示意图。
70.图3是对前后轴的电机扭矩进行限制的示意图。
71.图4是本发明方法的整体逻辑图。
具体实施方式
72.以下，结合附图进一步说明本发明。
73.参见图4，本发明提出的纯电动四驱车辆整车最大可用扭矩估算方法，具体步骤如下：
74.步骤1，计算动力系统的理论长/短时最大可用功率和理论长时/短时最小可用功率。
75.采用如下计算公式：
76.动力系统的理论长/短时最大可用功率＝电池的长时/短时最大可用功率减去高压附件实际用电功率。
77.动力系统的理论长时/短时最小可用功率＝电池当前长时/短时的最小可用功率(也可以表述为最大充电功率)+dcdc实际用电功率+tms(热管理系统，包括ptc+acp)+dcac实际用电功率。
78.车上的高压附件通常包括：dcdc、ptc(电加热器)，acp(空调压缩机)、dcac(直流转220v家用电)等。
79.如图1所示，在计算长/短时最大可用功率时，当dcdc、ptc(电加热器)，acp(空调压缩机)有实际需求时，采用实际值，当没有需求时，需要预留，即要减一个预留值。例如，dcdc建议预留500w～1000w的功率。ptc+acp建议预留400w～700w之间。
80.因为，dcdc的用电优先级最高，需最先保证；ptc/acp在处于除霜除雾工况下时，也应该优先保证，即使当前没有除霜除雾需求，也应该做预留，保证任何时候除霜除雾功能都有后备功率。而dcac则是根据不同的车型，可选，在有些新能源车辆上的定位，以客户舒适性为优先考虑，功率优先级高于电机，所以电机优先级最低，电机的可用功率还应该减去dcac的实际用电功率。
81.以上用电功率都是车辆在运行状态中实时获得的。
82.步骤2，计算动力系统的理论最大扭矩(即机械能力估算)。
83.2.1，计算两个电机的实时当前效率。
84.对于四驱系统，扭矩计算的难度在于四驱系统有两个电机，当前后桥速比不同时，它们还会工作在不同的转速下，同时也一般都工作在不同的扭矩下(扭矩取决于当前车身稳定性控制板块根据经济性、动力性、车身稳定性三个维度的综合考虑结果)。那么两个电机的实时当前效率也是不同的。
85.前轴电机当前效率f1＝f(n，t
前轴分配扭矩
)
86.后轴电机当前效率f2＝f(n，t
后轴分配扭矩
)
87.其中：n为转速，f为效率，通过转速和扭矩查表获得，计算时，初始时刻的时候采用的效率为1(可以根据调试情况选择0
‑
1)，电机运行之后的效率是根据前一刻的实际扭矩和前一刻的实际转速查表(电机效率表)得到。
88.这里的电机效率表是通过如下方式得到：
89.通过针对具体的电机进行台架试验，测量电机在不同转速和扭矩的情况下，实际输入到电机的功率是多少，而电机的效率：
[0090][0091]
其中u
input
是电机台架试验中的输入电压，i
input
是电机台架试验中的输入电流。
[0092]
所以根据台架试验的结果，已知实际扭矩和实际转速的情况下，就可以查表得到电机效率η。
[0093]
2.2计算前后轴最大可用扭矩。
[0094]
根据当前前后轴电机的效率以及当前车速(可以换算成前后电机的转速)，查四驱扭矩分配表得到给定功率下的理论最大前后轴扭矩分配比：
[0095]
ε
理论最大前后轴扭矩分配比
＝f(p
动力系统长时最大可用功率
,v)
[0096]
其中，p
动力系统长时最大可用功率
为步骤1中计算得到的理论动力系统的长/短时最大可用功率或理论动力系统的长时/短时最小可用功率，在驱动的时候选前者进行计算，在能量回收的时候选后者进行计算；
[0097]
v表示当前车速，根据当前车速即可换算出前后轴的轮速
[0098]
n
前轴转速
＝i
前轴减速比
*v
[0099]
n
后轴转速
＝i
后轴减速比
*v
[0100]
其中i
前轴减速比
和i
后轴减速比
都是已知量，是车辆机械结构设计完成后就已确定下来的。
[0101]
以上的四驱扭矩分配表是通过如下计算方法制得的：
[0102]
根据以下公式：
[0103]
p
动力系统长时最大可用功率
＝k1*t
前轴分配扭矩
*f(n1，t
前轴分配扭矩
)+k2*t
后轴分配扭矩
*f(n1，t
后轴分配扭矩
)
[0104]
的范围是(0～1)，将ε
前后轴分配比
值遍历(0～1)带入上面的公式可以求得很多组t
前轴分配扭矩
和t
后轴分配扭矩
。
[0105]
选取t
前轴分配扭矩
+t
后轴分配扭矩
的值为最大的那一组数据对应的ε
前后轴分配比
即为ε
理论最大前后轴扭矩分配比
。
[0106]
其中：p
动力系统长时最大可用功率
即为步骤1计算的功率；为已知量；n1为
n
前轴转速
＝i
前轴减速比
*v，n2为n
后轴转速
＝i
后轴减速比
*v也是可以计算得到的值。
[0107]
在各个功率和车速下，进行扭矩分配比的计算就可以得到以上四驱扭矩分配表。
[0108]
进一步，在已知前后轴电机当前效率f1＝f(n，t
前轴分配扭矩
)f2＝f(n，t
后轴分配扭矩
)、车速和四驱扭矩分配比的情况下，可换算后轴最大可用扭矩：
[0109]
t
后轴长时最大可用扭矩
＝μ*p
动力电池长时最大可用功率
[0110]
其中
[0111]
后轴长时/短时最小/最小可用扭矩：
[0112]
t
后轴长时最小可用扭矩
＝μ*p
动力电池长时最小可用功率
[0113]
t
后轴短时最大可用扭矩
＝μ*p
动力电池短时最大可用功率
[0114]
t
后轴短时最小可用扭矩
＝μp
动力电池短时最小可用功率
。
[0115]
前轴长时/短时的最大/最小可用扭矩：
[0116]
t
前轴长时最大可用扭矩
＝ε*t
后轴长时最大可用扭矩
[0117]
t
前轴长时最小可用扭矩
＝ε*t
后轴长时最小可用扭矩
[0118]
t
前轴短时最大可用扭矩
＝ε*t
后轴短时最大可用扭矩
[0119]
t
前轴短时最小可用扭矩
＝ε*t
后轴短时最小可用扭矩
。
[0120]
2.3，计算动力系统最大/最小可用扭矩。
[0121]
在进行驱动时，当前系统的最大可用扭矩为：
[0122]
t
动力系统最大可用扭矩
＝t
前轴最大可用扭矩
+t
后轴最大可用扭矩
[0123]
在进行能量回收工况时，当前系统的最小可用扭矩为
[0124]
t
动力系统最小可用扭矩
＝t
前轴最小可用扭矩
+t
后轴最小可用扭矩
[0125]
自此，就得到了当前功率小的前后轴最大/最小可用扭矩。及动力系统最大/最小可用扭矩：前轴最大/最小可用扭矩+后轴最大/最小可用扭矩。
[0126]
步骤3.对前后轴扭矩进行限制，如图2所示：
[0127]
由于驾驶员的需求扭矩分为两个部分，一部分是真实驾驶员的加速踏板扭矩需求，既无加速踏板又无制动踏板时，该扭矩为滑行能量回收扭矩需求，有制动踏板时为制动能量回收扭矩需求，另一部分是智能驾驶模块解析出来的虚拟驾驶员扭矩需求，该初始化的整车最大可用扭矩用于对驾驶员需求扭矩进行限制。
[0128]
本方法的做法是，对机械能力估算模块计算出来的动力系统最大/最小可用扭矩，需要用于对驾驶员需求扭矩进行限制：
[0129]
最大扭矩对驾驶员的驱动扭矩进行限制，取小；
[0130]
最小扭矩对驾驶员的制动扭矩进行限制，绝对值取小：
[0131]
当t
驾驶员需求扭矩
>0时：
[0132]
t
车轮端运动扭矩
＝min(t
驾驶员需求扭矩
，t
动力系统最大可用扭矩
)；
[0133]
当t
驾驶员需求扭矩
<0时：
[0134]
t
车轮端运动扭矩
＝min(|t
驾驶员需求扭矩
|，|t
动力系统最大可用扭矩
|)；
[0135]
t
车轮端运动扭矩
＝min(t
驾驶员需求扭矩
，t
动力系统最大可用扭矩
)。
[0136]
步骤4，对四驱扭矩分配模块分配到前后轴的电机扭矩进行限制，如图3所示。
[0137]
机械能力估算计算出来的前后轴最大可用扭矩还要对四驱扭矩分配模块分配到前后轴的电机扭矩进行限制：
[0138]
t
前轴轮端扭矩协调
＝min(t
前轴轮端运动扭矩
，t
前轴最大可用扭矩
)
[0139]
t
后轴轮端扭矩协调
＝min(t
后轴轮端运动扭矩
，t
后轴最大可用扭矩
)。
[0140]
原因是，驾驶员计算的扭矩经过动力系统最大可用扭矩限制后，实际请求总扭矩肯定小于等于动力系统最大可用扭矩，但是分配给前后轴的具体扭矩则不一定均小于前后轴电机的最大可用扭矩。所以需要前面计算的前后轴最大可用扭矩分别对前后轴扭矩进行限制。
[0141]
如果请求的前轴扭矩小于等于前轴最大可用扭矩，且请求的后轴扭矩小于等于后轴的最大可用扭矩，则动力系统最大可用扭矩不需要进行修正。
[0142]
如果经过扭矩分配计算出来的前轴请求扭矩大于机械能力估算计算的前轴最大可用扭矩，或者后轴请求扭矩大于机械能力估算计算的后轴最大可用扭矩，则需要对当前的请求扭矩进行限制：如果前轴请求扭矩大于前轴最大可用扭矩，则限制前轴请求扭矩到前轴最大可用扭矩；如果后轴请求扭矩大于后轴最大可用扭矩，则限制后轴请求扭矩到后轴最大可用扭矩。
[0143]
同时，经过前后轴最大可用扭矩限制后，还需要对前后轴请求扭矩与当前前后轴电机根据温度及故障限功限制后的前后轴可用扭矩限制，使请求扭矩不超过前后轴当前工况下的可用扭矩。
[0144]
步骤5，前轴、后轴动力系统扭矩协调。
[0145]
经过双重限制的前后轴请求扭矩，还需要经过底盘扭矩干预，底盘扭矩干预后的扭矩值也既不能大于机械能力估算的前后轴最大可用扭矩，也不能大于前后轴电机当前工况下的扭矩限制：
[0146]
t
前轴动力系统扭矩协调
＝t
前轴轮端运动扭矩
±
t
后轴底盘干预扭矩
[0147]
t
后轴动力系统扭矩协调
＝t
后轴轮端运动扭矩
±
t
后轴底盘干预扭矩
[0148]
当底盘干预请求标志位为升扭时，取加号，为降扭时取减号。
[0149]
步骤6，基于触发条件，输出前后轴最大可用扭矩或循环计算。
[0150]
以上，经过考虑经济性、动力性、稳定性的扭矩四驱分配、机械能力估算的前后轴最大可用扭矩限制、电机当前工况的实际可用扭矩限制、底盘干预等扭矩修正后，前后轴的实际扭矩比值早已不再是按最初的前后轴分配比ε
x
了，所以按照当前的实际分配比，动力系统的最大可用扭矩，前后轴的最大可用扭矩可能会不一样，所以需要根据实际的前后轴扭矩分配比ε
actual
重新计算动力系统最大可用扭矩和前后轴最大可用扭矩，并更新该值，重新纳入扭矩限制模块计算。
[0151]
触发条件为：
[0152]
满足条件：t
前轴最大可用扭矩
≥t
前轴动力系统扭矩协调
且t
后轴最大可用扭矩
≥t
后轴动力系统扭矩协调
时，直接输出t
前轴动力系统扭矩协调
和t
后轴动力系统扭矩协调
；
[0153]
否则，触发重新计算t
前轴最大可用扭矩
和t
后轴最大可用扭矩
。
[0154]
计算的方法：
[0155]
将重新带入公式：
[0156]
t
后轴长时最大可用扭矩
＝μ*p
动力电池长时最大可用功率
[0157]
t
前轴长时最大可用扭矩
＝ε
实际分配扭矩
*t
后轴长时最大可用扭矩
[0158]
其中
[0159]
由此计算得到新的前后轴最大可用扭矩。