一种四轮驱动的增程式电动汽车动力系统及能效分层协调控制方法与流程

本发明涉及一种电动汽车动力系统及其控制方法。
背景技术：
：众所周知，目前纯电动汽车所配备的电池重量高、价格昂贵。并且在燃油汽车上根本不能算作问题的续驶里程，对于纯电动汽车而言，却成为了影响用户购买的最大障碍之一。于是，车企们开始考虑能否在设计上减少电池数量，进而既降低汽车制造成本，同时又能满足消费者对续驶里程的需求。于是，增程式电动汽车问世。利用一个比较轻且便宜的增程器来解决用户对纯电动汽车的“里程焦虑”感，并且能够大幅度减少电池数量。由于增程式电动汽车存在增程器与动力电池两个能量源，如何将需求功率合理分配至增程器与动力电池以实现节能减排效果是目前亟待解决的问题。目前，增程式电动汽车能效控制方法主要为基于模型的控制，该方法可实现能效优化，但是需要在已知工况下完成，对于未知工况的能效最优控制并不具有适应性，此外，目前增程式电动汽车动力系统主要是以单电机驱动为主，该系统在复杂运行条件下不能使驱动效率达到最优。技术实现要素：本发明为了解决现有的增程式电动汽车在复杂运行条件下不能使驱动效率达到最优的问题，进而提出一种四轮驱动的增程式电动汽车动力系统能效分层协调控制方法。一种四轮驱动的增程式电动汽车动力系统，包括增程器，整流器，动力电池，充电器，逆变器系统，第一变速器，第一驱动电机，第二驱动电机，第二变速器和TCU(TransmissionControlUnit，即自动变速箱控制单元)；所述的增程器包括发动机和发电机；发动机输出端与发电机输入端机械连接；发电机输出端与整流器输入端电气连接；充电器输出端与动力电池输入端电气连接；整流器输出端和动力电池输出端共同与逆变器系统输入端电气连接，整流器输出端与动力电池输出端能够实现电气耦合；逆变器系统输出端分别与第一驱动电机输入端和第二驱动电机输入端电气连接；第一驱动电机与第一变速器机械连接，然后连接驱动前轴；第二驱动电机与第二变速器机械连接，然后连接驱动后轴；TCU与第一变速器及第二变速器信号连接，TCU通过信号控制第一变速器及第二变速器。一种四轮驱动的增程式电动汽车动力系统的能效分层协调控制方法，包括以下步骤：步骤一、根据增程式双电机混合动力汽车实时运行情况，实时检测动力电池SOC情况、车速及加速踏板信号，利用动力电池SOC情况及车辆运行参数确定车辆运行模式及增程器的工作状态，利用实时车速及加速踏板开度计算车辆总需求转矩；步骤二、根据步骤一获得的车辆总需求转矩，采用搜索法实时计算增程式双电机混合动力车辆第一驱动电机和第二驱动电机总效率最优时转矩分配系数，根据第一驱动电机和第二驱动电机总效率最优时的分配系数计算第一驱动电机和第二驱动电机的实时输出目标转矩；步骤三、根据步骤二计算获得的第一驱动电机和第二驱动电机的实时输出目标转矩，向第一驱动电机和第二驱动电机发送转矩分配指令，控制第一驱动电机和第二驱动电机输出转矩，实现四轮驱动的增程式电动汽车转矩分配控制。优选地，步骤一中所述的确定车辆运行模式及增程器的工作状态包括以下步骤：步骤1.1：检测汽车行驶工况参数及动力电池SOC情况；步骤1.2：判定动力电池SOC是否大于增程器启动上限值SOC_high(也是纯电工作模式下限值)，若是则执行步骤1.3，否则执行步骤1.4；步骤1.3：判定驾驶员是否输入启动增程器指令，若是执行步骤1.4，否则执行步骤1.5；步骤1.4：判定增程器是否启动，若是则执行步骤1.6，否则继续控制增程器启动；步骤1.5：汽车运行在纯电工作模式，由动力电池单独为第一驱动电机和第二驱动电机供电；步骤1.6：判定动力电池SOC是否大于增程器停止发电时下限值SOC_low，若是则增程器继续发电，增程器与动力电池共同为第一驱动电机和第二驱动电机提供驱动功率；否则停止发电，关闭增程器。优选地，步骤1.6所述增程器与动力电池共同为第一驱动电机和第二驱动电机提供驱动功率的过程中，驱动功率在增程器和动力电池之间分配采用能效最优分配策略；其中，增程器输出功率Pre(i)通过公式(1)计算得出，Pre(i)＝δ·P(i)(1)动力电池输出功率Pbat(i)通过公式(2)计算得出，Pbat(i)＝(1-δ)·P(i)(2)其中，i表示时刻，δ为能效最优时增程器输出功率分配系数，P(i)为车辆运行需求总功率。优选地，步骤二所述的采用搜索法实时计算四轮驱动的增程式电动汽车第一驱动电机和第二驱动电机总效率最优时转矩分配系数的过程包括以下步骤：步骤2.1、获得i时刻驱动电机输出总转矩Ttotal(i)；步骤2.2、设定转矩优化分配系数k，k为第一驱动电机输出转矩与i时刻驱动电机输出总转矩Ttotal(i)的比，k的搜索区间[a，b]，搜索区间[a，b]的初始化搜索区间为[0，1]；设定搜索比例x，x<1；搜索收敛精度为ε；步骤2.3、按转矩分配系数k＝k1＝a+x·(b-a)计算第一驱动电机实时输出的目标转矩；获得转矩分配系数k＝k1时前轴实时输出的目标转矩；按转矩分配系数(1-k1)计算第二驱动电机实时输出目标总转矩，获得转矩分配系数k＝k1时后轴实时输出的目标转矩；按转矩分配系数k＝k2＝a+(1-x)·(b-a)计算第一驱动电机实时输出的目标转矩；获得转矩分配系数k＝k2时前轴实时输出的目标转矩；按转矩分配系数(1-k2)计算第二驱动电机实时输出目标总转矩，获得转矩分配系数k＝k2时后轴实时输出的目标转矩；步骤2.4、利用步骤2.3获得的k＝k1时第一驱动电机和第二驱动电机实时输出的目标转矩和k＝k2时第一驱动电机和第二驱动电机实时输出的目标转矩，计算第一驱动电机和第二驱动电机实时输出的目标转矩，结合第一驱动电机和第二驱动电机输入端总线电压、总线电流及输出转速，计算转矩分配系数k＝k1和转矩分配系数k＝k2时，第一驱动电机和第二驱动电机的实时输入功率、实时输出功率；步骤2.5、根据步骤2.4获得的第一驱动电机和第二驱动电机的实时输入功率、实时输出功率，计算第一驱动电机和第二驱动电机输入总功率和输出总功率，并根据第一驱动电机和第二驱动电机输入总功率和输出总功率计算转矩分配系数k＝k1时的实时总效率值η1＝η(k1)和转矩分配系数k＝k2时的实时总效率值η2＝η(k2)；步骤2.6、对步骤2.5计算获得的转矩分配系数k＝k1时的实时总效率值η1＝η(k1)和转矩分配系数k＝k2时的实时总效率值η2＝η(k2)进行比较；当η1<η2时，a＝k1，k1＝k2，η1＝η2，k2＝a+(1-x)·(b-a)；计算实时总效率值η2＝η(k2)，执行步骤2.7；当η1≥η2时，b＝k2，k2＝k1，η2＝η1，k1＝a+x·(b-a)，计算实时总效率值η1＝η(k1)，执行步骤2.7；步骤2.7、对转矩分配系数k搜索区间[a，b]进行收敛判定，若|a-b|<ε，则结束搜索，第一驱动电机输出转矩为T1＝k·Ttotal(i)，第二驱动电机输出转矩为T2＝(1-k)·Ttotal(i)，获得第一驱动电机和第二驱动电机的转矩最优分配系数；否则，返回执行步骤2.6。优选地，步骤2.5所述的根据第一驱动电机和第二驱动电机输入总功率和输出总功率计算转矩分配系数k＝k1时的实时总效率值η1＝η(k1)和转矩分配系数k＝k2时的实时总效率值η2＝η(k2)的过程包括以下步骤：通过公式(3)计算获得第一驱动电机实时输入输出功率，Pin,1(i)=U1(i)·I1(i)/1000Pout,1(i)=T(i)·k·n1(i)/9550---(3)]]>其中，Pin,1(i)为i时刻第一驱动电机实时输入功率，Pout,1(i)为i时刻第一驱动电机实时输出功率；U1(i)为i时刻第一驱动电机输入端母线电压，I1(i)为i时刻第一驱动电机输入端母线电流；n1(i)为i时刻第一驱动电机的转速，T(i)为i时刻第一驱动电机和第二驱动电机输出总转矩；通过公式(4)计算获得第二驱动电机实时输入输出功率，Pin,2(i)=U2(i)·I2(i)/1000Pout,2(i)=T(i)·(1-k)·n2(i)/9550---(4)]]>其中，Pin,2(i)为i时刻第二驱动电机实时输入功率，Pout,2(i)为i时刻第二驱动电机实时输出功率；U2(i)为i时刻第二驱动电机输入端母线电压，I2(i)为i时刻第二驱动电机输入端母线电流；n2(i)为i时刻第二驱动电机的转速；通过公式(5)计算获得第一驱动电机和第二驱动电机实时总效率，η(i)=Pout,1(i)+Pout,2(i)Pin,1(i)+Pin,2(i)×100---(5)]]>当k＝k1时，按照公式(5)计算η(k1)，获得i时刻转矩分配系数k＝k1时的实时总效率值η1＝η(k1)；当k＝k2时，按照公式(5)计算η(k2)，获得i时刻转矩分配系数k＝k1时的实时总效率值η2＝η(k2)。针对以上方案，步骤二所述采用搜索法实时计算增程式双电机混合动力车辆第一驱动电机和第二驱动电机总效率最优时转矩分配系数，根据第一驱动电机和第二驱动电机总效率最优时的分配系数计算第一驱动电机和第二驱动电机的实时输出目标转矩之后第一驱动电机和第二驱动电机存在三种工作状态：第一驱动电机单独驱动前轴工作状态，第二驱动电机单独驱动后轴工作及第一驱动电机与第二驱动电机四驱状态。本发明具有以下有益效果：本发明的四轮驱动的增程式电动汽车动力系统，具有两个驱动电机，按照本发明的控制方法进行切换，基本能够满足汽车各种路况的需要，而且能够通过协调控制达到动力系统效率实时优化，进而实现运行效率的优化，实现增程式电动汽车的能效最优控制。相比现有的增程式电动汽车动力系统及其控制方法，基于本发明的系统的能效最优控制方法针对城市路况节约8％以上的能效，在市郊等路况节约10％以上的能效。同时本发明的汽车系统完全具备现有增程式电动汽车动力的优点。所以本发明具备广阔的市场前景。附图说明图1为一种四轮驱动的增程式电动汽车动力系统示意图；图中，1为增程器，2为发动机，3为发电机，4为整流器，5为动力电池，6为充电器，7为逆变器系统，8为第一变速器，9为第一驱动电机，10为第二驱动电机，11为第二变速器，12为TCU；其中连接关系示意如下：表示信号控制，表示电气连接，表示机械连接；图2为基于四轮驱动的增程式电动汽车动力系统的能效分层协调控制方法流程图；图3为增程器的工作流程示意图；图4为采用搜索法计算第一驱动电机和第二驱动电机总效率最优时转矩分配系数的通过流程示意图。具体实施方式具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，一种四轮驱动的增程式电动汽车动力系统，包括增程器1，整流器4，动力电池5，充电器6，逆变器系统7，第一变速器8，第一驱动电机9，第二驱动电机10，第二变速器11和TCU12；所述的增程器1包括发动机2和发电机3；发动机2输出端与发电机3输入端机械连接；发电机3输出端与整流器4输入端电气连接；充电器6输出端与动力电池5输入端电气连接；整流器4输出端和动力电池5输出端共同与逆变器系统7输入端电气连接，整流器4输出端与动力电池5输出端能够实现电气耦合；逆变器系统7输出端分别与第一驱动电机9输入端和第二驱动电机10输入端电气连接；第一驱动电机9与第一变速器8机械连接，然后连接驱动前轴；第二驱动电机10与第二变速器11机械连接，然后连接驱动后轴；TCU12与第一变速器8及第二变速器11信号连接，TCU12通过信号控制第一变速器8及第二变速器11。具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，一种四轮驱动的增程式电动汽车动力系统的能效分层协调控制方法，包括以下步骤：步骤一、根据增程式双电机混合动力汽车实时运行情况，实时检测动力电池5SOC情况、车速及加速踏板信号，利用动力电池SOC情况及车辆运行参数确定车辆运行模式及增程器1的工作状态，利用实时车速及加速踏板开度计算车辆总需求转矩；步骤二、根据步骤一获得的车辆总需求转矩，采用搜索法实时计算增程式双电机混合动力车辆第一驱动电机9和第二驱动电机10总效率最优时转矩分配系数，根据第一驱动电机9和第二驱动电机10总效率最优时的分配系数计算第一驱动电机9和第二驱动电机10的实时输出目标转矩；步骤三、根据步骤二计算获得的第一驱动电机9和第二驱动电机10的实时输出目标转矩，向第一驱动电机9和第二驱动电机10发送转矩分配指令，控制第一驱动电机9和第二驱动电机10输出转矩，实现四轮驱动的增程式电动汽车转矩分配控制。具体实施方式三：本实施方式中步骤二所述采用搜索法实时计算增程式双电机混合动力车辆第一驱动电机9和第二驱动电机10总效率最优时转矩分配系数，根据第一驱动电机9和第二驱动电机10总效率最优时的分配系数计算第一驱动电机9和第二驱动电机10的实时输出目标转矩之后第一驱动电机9和第二驱动电机10存在三种工作状态：第一驱动电机9单独驱动前轴工作状态，第二驱动电机10单独驱动后轴工作及第一驱动电机9与第二驱动电机10四驱状态。其他步骤和参数与具体实施方式二相同。具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式步骤一中所述的确定车辆运行模式及增程器1的工作状态包括以下步骤：步骤1.1：检测汽车行驶工况参数及动力电池SOC情况；步骤1.2：判定动力电池SOC是否大于增程器启动上限值SOC_high(也是纯电工作模式下限值)，若是则执行步骤1.3，否则执行步骤1.4；步骤1.3：判定驾驶员是否输入启动增程器指令，若是执行步骤1.4，否则执行步骤1.5；步骤1.4：判定增程器是否启动，若是则执行步骤1.6，否则继续控制增程器启动；步骤1.5：汽车运行在纯电工作模式，由动力电池5单独为第一驱动电机9和第二驱动电机10供电；步骤1.6：判定动力电池SOC是否大于增程器1停止发电时下限值SOC_low，若是则增程器1继续发电，增程器1与动力电池5共同为第一驱动电机9和第二驱动电机10提供驱动功率；否则停止发电，关闭增程器1。其他步骤和参数与具体实施方式二相同。具体实施方式五：本实施方式步骤1.6所述增程器1与动力电池5共同为第一驱动电机9和第二驱动电机10提供驱动功率的过程中，驱动功率在增程器1和动力电池5之间分配采用能效最优分配策略；其中，增程器1输出功率Pre(i)通过公式(1)计算得出，Pre(i)＝δ·P(i)(1)动力电池5输出功率Pbat(i)通过公式(2)计算得出，Pbat(i)＝(1-δ)·P(i)(2)其中，i表示时刻，δ为能效最优时增程器1输出功率分配系数，P(i)为车辆运行需求总功率。其他步骤和参数与具体实施方式四相同。具体实施方式六：结合图4说明本实施方式，本实施方式步骤二所述的采用搜索法实时计算四轮驱动的增程式电动汽车第一驱动电机9和第二驱动电机10总效率最优时转矩分配系数的过程包括以下步骤：步骤2.1、获得i时刻驱动电机输出总转矩Ttotal(i)；步骤2.2、设定转矩优化分配系数k，k为第一驱动电机9输出转矩与i时刻驱动电机输出总转矩Ttotal(i)的比，k的搜索区间[a，b]，搜索区间[a，b]的初始化搜索区间为[0，1]；设定搜索比例x，x<1；搜索收敛精度为ε；步骤2.3、按转矩分配系数k＝k1＝a+x·(b-a)计算第一驱动电机9实时输出的目标转矩；获得转矩分配系数k＝k1时前轴实时输出的目标转矩；按转矩分配系数(1-k1)计算第二驱动电机实时输出目标总转矩，获得转矩分配系数k＝k1时后轴实时输出的目标转矩；按转矩分配系数k＝k2＝a+(1-x)·(b-a)计算第一驱动电机9实时输出的目标转矩；获得转矩分配系数k＝k2时前轴实时输出的目标转矩；按转矩分配系数(1-k2)计算第二驱动电机10实时输出目标总转矩，获得转矩分配系数k＝k2时后轴实时输出的目标转矩；步骤2.4、利用步骤2.3获得的k＝k1时第一驱动电机9和第二驱动电机10实时输出的目标转矩和k＝k2时第一驱动电机9和第二驱动电机10实时输出的目标转矩，计算第一驱动电机9和第二驱动电机10实时输出的目标转矩，结合第一驱动电机9和第二驱动电机10输入端总线电压、总线电流及输出转速，计算转矩分配系数k＝k1和转矩分配系数k＝k2时，第一驱动电机9和第二驱动电机10的实时输入功率、实时输出功率；步骤2.5、根据步骤2.4获得的第一驱动电机9和第二驱动电机10的实时输入功率、实时输出功率，计算第一驱动电机9和第二驱动电机10输入总功率和输出总功率，并根据第一驱动电机9和第二驱动电机10输入总功率和输出总功率计算转矩分配系数k＝k1时的实时总效率值η1＝η(k1)和转矩分配系数k＝k2时的实时总效率值η2＝η(k2)；步骤2.6、对步骤2.5计算获得的转矩分配系数k＝k1时的实时总效率值η1＝η(k1)和转矩分配系数k＝k2时的实时总效率值η2＝η(k2)进行比较；当η1<η2时，a＝k1，k1＝k2，η1＝η2，k2＝a+(1-x)·(b-a)；计算实时总效率值η2＝η(k2)，执行步骤2.7；当η1≥η2时，b＝k2，k2＝k1，η2＝η1，k1＝a+x·(b-a)，计算实时总效率值η1＝η(k1)，执行步骤2.7；步骤2.7、对转矩分配系数k搜索区间[a，b]进行收敛判定，若|a-b|<ε，则结束搜索，第一驱动电机9输出转矩为T1＝k·Ttotal(i)，第二驱动电机10输出转矩为T2＝(1-k)·Ttotal(i)，获得第一驱动电机9和第二驱动电机10的转矩最优分配系数；否则，返回执行步骤2.6。其他步骤和参数与具体实施方式二、四或五相同。具体实施方式七：本实施方式步骤2.5所述的根据第一驱动电机9和第二驱动电机10输入总功率和输出总功率计算转矩分配系数k＝k1时的实时总效率值η1＝η(k1)和转矩分配系数k＝k2时的实时总效率值η2＝η(k2)的过程包括以下步骤：通过公式(3)计算获得第一驱动电机9实时输入输出功率，Pin,1(i)=U1(i)·I1(i)/1000Pout,1(i)=T(i)·k·n1(i)/9550---(3)]]>其中，Pin,1(i)为i时刻第一驱动电机实时输入功率，Pout,1(i)为i时刻第一驱动电机实时输出功率；U1(i)为i时刻第一驱动电机9输入端母线电压，I1(i)为i时刻第一驱动电机9输入端母线电流；n1(i)为i时刻第一驱动电机9的转速，T(i)为i时刻第一驱动电机9和第二驱动电机10输出总转矩；通过公式(4)计算获得第二驱动电机10实时输入输出功率，Pin,2(i)=U2(i)·I2(i)/1000Pout,2(i)=T(i)·(1-k)·n2(i)/9550---(4)]]>其中，Pin,2(i)为i时刻第二驱动电机实时输入功率，Pout,2(i)为i时刻第二驱动电机实时输出功率；U2(i)为i时刻第二驱动电机10输入端母线电压，I2(i)为i时刻第二驱动电机10输入端母线电流；n2(i)为i时刻第二驱动电机10的转速；通过公式(5)计算获得第一驱动电机9和第二驱动电机10实时总效率，η(i)=Pout,1(i)+Pout,2(i)Pin,1(i)+Pin,2(i)×100---(5)]]>当k＝k1时，按照公式(5)计算η(k1)，获得i时刻转矩分配系数k＝k1时的实时总效率值η1＝η(k1)；当k＝k2时，按照公式(5)计算η(k2)，获得i时刻转矩分配系数k＝k1时的实时总效率值η2＝η(k2)。其他步骤和参数与具体实施方式六相同。具体实施方式八：本实施方式步骤二所述采用搜索法实时计算增程式双电机混合动力车辆第一驱动电机9和第二驱动电机10总效率最优时转矩分配系数，根据第一驱动电机9和第二驱动电机10总效率最优时的分配系数计算第一驱动电机9和第二驱动电机10的实时输出目标转矩之后第一驱动电机9和第二驱动电机10存在三种工作状态：第一驱动电机9单独驱动前轴工作状态，第二驱动电机10单独驱动后轴工作及第一驱动电机9与第二驱动电机10四驱状态。其他步骤和参数与具体实施方式四至七之一相同。当前第1页1 2 3