本文中以一款新型雙電機(jī)耦合系統(tǒng)電動(dòng)汽車（dual-motor coupling-propulsion electric vehicle，DMCP-EV）為研究對(duì)象，制定了基于PSO算法系統(tǒng)效率優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)模式控制策略，在滿足動(dòng)力性要求的基礎(chǔ)上提高了整車經(jīng)濟(jì)性。

1 雙電機(jī)耦合動(dòng)力系統(tǒng)模型

1.1 雙電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型介紹

該款新型耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。在該耦合驅(qū)動(dòng)構(gòu)型中，電機(jī)M1與太陽輪S相連，電機(jī)M2與連接器T相連。制動(dòng)器L1與太陽輪S同軸，當(dāng)L1閉合時(shí)，太陽輪被固定，電機(jī)M1停止運(yùn)行。制動(dòng)器L2與齒圈R相連，當(dāng)L2閉合時(shí)，齒圈R固定。減速齒輪G1與齒圈R相連，當(dāng)連接器T位于右端時(shí)，三者相連接，隨電機(jī)M2的運(yùn)轉(zhuǎn)而運(yùn)行；當(dāng)連接器T位于中間時(shí)，電機(jī)M2關(guān)閉；當(dāng)連接器T位于左端時(shí)，兩電機(jī)轉(zhuǎn)矩在太陽輪C處耦合。

圖1 新型雙電機(jī)耦合系統(tǒng)構(gòu)型

當(dāng)汽車正常行駛時(shí)，整車控制器接受并處理來自傳感器的信號(hào)，向電機(jī)控制器等執(zhí)行器發(fā)出指令，通過控制連接器T及制動(dòng)器L1、L2的開閉，使動(dòng)力系統(tǒng)工作在不同的工作模式：電機(jī)M1單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式（定義為SM1）、電機(jī)M2單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式（定義為SM2）、雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合模式（定義為TC）、雙電機(jī)轉(zhuǎn)速耦合模式（定義為SC）以及再生制動(dòng)模式。由于本文重點(diǎn)研究的是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)性能，故在此暫不考慮再生制動(dòng)的控制。本文中所研究的某款純電動(dòng)汽車的具體動(dòng)力部件參數(shù)見表1。

表1 EV動(dòng)力部件參數(shù)

1.2 雙電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)建模

1.2.1 工作模式分析

當(dāng)制動(dòng)器L1斷開，L2閉合，且連接器T位于中間位置時(shí)，電機(jī)M1工作，M2關(guān)閉，系統(tǒng)處于電機(jī)M1單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式，則SM1系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為

式中：n1為電機(jī)M1的轉(zhuǎn)速；T1為電機(jī)M1的轉(zhuǎn)矩；r為車輪半徑；k為行星架特征參數(shù)；i0為主減速器傳動(dòng)比；F t為驅(qū)動(dòng)力；v為車速。

當(dāng)制動(dòng)器L1閉合，L2松開且連接器T位于右端時(shí)，電機(jī)M1停止，M2運(yùn)轉(zhuǎn)，功率經(jīng)減速齒輪、行星架輸出。此時(shí)為電機(jī)M2單獨(dú)運(yùn)行模式，SM2模式系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為

式中：i g為減速齒輪組的傳動(dòng)比；n2為電機(jī)M2的轉(zhuǎn)速；T2為電機(jī)M2的轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)制動(dòng)器L1斷開，L2閉合，且連接器T位于左端時(shí)，兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩在太陽輪處耦合，經(jīng)行星架傳遞到車輪，驅(qū)動(dòng)汽車行駛。系統(tǒng)處于雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合模式TC，此時(shí)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為

當(dāng)制動(dòng)器L1、L2斷開，連接器T位于右端時(shí)，兩電機(jī)轉(zhuǎn)速在行星架處耦合，動(dòng)力經(jīng)行星架傳遞到車輪，驅(qū)動(dòng)汽車行駛。系統(tǒng)處于雙電機(jī)轉(zhuǎn)速耦合模式，此時(shí)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型可表示為

1.2.2 系統(tǒng)效率建模

不同模式下的系統(tǒng)效率數(shù)學(xué)模型為

式中：ηSM1、ηSM2、ηTC、ηSC分別為 SM1、SM2、TC、SC模式下的系統(tǒng)效率；ηinv為逆變器效率。

約束條件為

式中：n1max、n2max分別為電機(jī) M1、M2的最大轉(zhuǎn)速；SOC min為電池組最小荷電狀態(tài)；SOC max為電池組最大荷電狀態(tài)；P battmax為當(dāng)前SOC對(duì)應(yīng)的最大放電功率。

2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模式劃分與控制策略

2.1 不同模式工作范圍的劃分

基于上述分析可知，DMCP-EV具有4種驅(qū)動(dòng)模式。在動(dòng)力需求的約束下，整車控制器根據(jù)獲得的實(shí)時(shí)行駛速度、加速度信號(hào)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作特性以及各個(gè)模式的工作原理，獲得各個(gè)模式的工作范圍。對(duì)各個(gè)模式工作范圍的劃分流程如圖2所示，可簡(jiǎn)述如下，首先由車載傳感器采集到速度、加速度信號(hào)，然后根據(jù)各個(gè)模式的動(dòng)力學(xué)模型以及速度等信息，計(jì)算各個(gè)模式在該工況下所需要的電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，則可以獲得各個(gè)模式的有效工作范圍，如圖3所示。

圖2 不同模式工作范圍劃分流程

2.2 基于PSO算法的耦合模式下系統(tǒng)效率優(yōu)化

圖3 不同模式下的有效工作范圍

依據(jù)以上各模式工作范圍的劃分，滿足當(dāng)前速度、加速度以及駕駛員需求的工作模式可能有多種。為提高經(jīng)濟(jì)性，采用PSO優(yōu)化各模式的系統(tǒng)效率，并根據(jù)當(dāng)前行駛工況選擇效率最優(yōu)的工作模式。據(jù)此，本文中制定基于PSO系統(tǒng)效率優(yōu)化的雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略，其框架如圖4所示。控制策略是根據(jù)當(dāng)前工況選擇效率最優(yōu)工作模式，具體步驟如下：

（1）判斷滿足當(dāng)前工況的工作模式的情況；若僅有一個(gè)適合的模式，則選擇該模式；若存在多個(gè)驅(qū)動(dòng)模式，則進(jìn)入系統(tǒng)效率優(yōu)化控制模式；

（2）計(jì)算滿足當(dāng)前工況的各個(gè)工作模式系統(tǒng)效率，其具體計(jì)算過程詳見1.2.2節(jié)；

（3）選擇系統(tǒng)效率最高的工作模式作為當(dāng)前工作模式以提高整車經(jīng)濟(jì)性。

圖4 基于粒子群算法的模式劃分及控制流程

2.2.1 TC模式下的系統(tǒng)效率優(yōu)化

TC模式下，兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速與車速成比例，兩電機(jī)的轉(zhuǎn)矩相耦合，可以在約束范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化兩電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配，以獲得系統(tǒng)最優(yōu)效率。PSO算法初始參數(shù)和系統(tǒng)效率流程如圖5所示。TC模式系統(tǒng)效率優(yōu)化過程為：給定速度和加速度，通過粒子群優(yōu)化算法獲得電機(jī)M1、M2的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)效率ηTC達(dá)到最優(yōu)。優(yōu)化模型如下。

目標(biāo)函數(shù)（適應(yīng)度函數(shù)）：

圖5 粒子群算法優(yōu)化系統(tǒng)效率流程圖

約束條件：

選取M1電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T1作為控制變量，則其相應(yīng)粒子的位置為

式中：i為粒子編號(hào)；j為迭代次數(shù)。

系統(tǒng)效率尋優(yōu)結(jié)果如圖6所示。由圖可以看出，系統(tǒng)效率在第40代左右收斂至最優(yōu)值。TC模式下的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配如圖7所示。

圖6 PSO算法尋優(yōu)迭代圖

2.2.2 基于系統(tǒng)效率優(yōu)化的模式控制

圖7 TC模式下的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配

在SC模式下，兩電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)力矩成比例，兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速相耦合，可以在約束范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。與TC模式類似，SC模式獲取最優(yōu)系統(tǒng)效率關(guān)鍵是合理分配兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速。同樣采用粒子群算法優(yōu)化，具體求解過程與TC模式類似。圖8為SOC＝0.9時(shí)優(yōu)化后不同模式下的系統(tǒng)效率。適合當(dāng)前工況的最佳驅(qū)動(dòng)模式可通過比較該工況下4種驅(qū)動(dòng)模式的系統(tǒng)效率而得出，即可以獲得4個(gè)工作模式的工作邊界，如圖9（a）所示。為減少計(jì)算量并提高整車控制器工作效率，提前劃分了各個(gè)工作模式的工作邊界，如圖9（b）所示。并將結(jié)果制成表格存儲(chǔ)在控制器中，通過查表獲得當(dāng)前最優(yōu)工作模式。

圖8 SOC為0.9時(shí)不同模式下的系統(tǒng)最優(yōu)效率

3 仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 PSO優(yōu)化前后仿真驗(yàn)證

在Matlab／Simulink環(huán)境下實(shí)現(xiàn)裝備該新型雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整車模型的搭建，通過優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比來驗(yàn)證所提出的基于PSO系統(tǒng)效率優(yōu)化的模式劃分及選擇策略的有效性。為體現(xiàn)對(duì)比結(jié)果的公正性，未經(jīng)PSO效率優(yōu)化的系統(tǒng)的模式劃分方法與本文相同，模式的選擇同樣基于瞬時(shí)最優(yōu)的原則，該模式選擇策略分別實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前工況下4種工作模式的需求功率，選取需求功率最小的模式作為當(dāng)前工況下的工作模式。兩者在城市道路循環(huán)UDDS下進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖10（a）所示。由圖可見，在整個(gè)工況過程中，實(shí)際車速很好地跟隨目標(biāo)車速。驅(qū)動(dòng)時(shí)，該系統(tǒng)基于所提出的控制策略，自動(dòng)匹配適合當(dāng)前工況的工作模式，從而在滿足車輛動(dòng)力性能需求的同時(shí)，保證了較低的能耗。圖10（b）和圖10（c）示出該系統(tǒng)優(yōu)化前后的工作模式隨UDDS工況切換的情況，“1～4”分別表示 SM1、SM2、TC、SC工作模式。

圖9 不同模式的工作邊界

圖10 車速跟隨情況和優(yōu)化前后的工作模式切換情況

圖11給出了該系統(tǒng)PSO優(yōu)化前后的兩電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。可以看出，優(yōu)化前后的M1、M2電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速分配變化明顯。圖12為優(yōu)化前后的電機(jī)轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速的對(duì)比。可以看出，經(jīng)優(yōu)化重新分配轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速后，該系統(tǒng)的SOC變化范圍縮小，能耗從優(yōu)化前的1.165降低為1.036 kW·h，降低了11%左右，達(dá)到了提高整車能量經(jīng)濟(jì)性的目的。

圖11 優(yōu)化前后的M1、M2電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速對(duì)比

圖12 優(yōu)化前后的SOC和能耗對(duì)比

3.2 基于PSO系統(tǒng)優(yōu)化前后臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

圖13 臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)物圖

為驗(yàn)證PSO系統(tǒng)效率優(yōu)化的實(shí)際效果，基于雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)（圖13）進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。選用飛思卡爾MC9S12EQ512汽車級(jí)微處理器作為該試驗(yàn)平臺(tái)的主控制器主芯片。采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，波特率設(shè)為250 kbps，采用J1939應(yīng)用協(xié)議。使用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件部分，硬件部分由PXI數(shù)據(jù)采集卡、傳感器和計(jì)算機(jī)組成。

試驗(yàn)分別以UDDS和EUDC循環(huán)工況進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)得速度、系統(tǒng)效率和電池SOC的曲線圖，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖14所示。可以看出，臺(tái)架試驗(yàn)與仿真結(jié)果趨勢(shì)基本一致。

圖14 UDDS和EUDC工況下的臺(tái)架試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

綜合上述的仿真和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果，表明所制定的基于PSO系統(tǒng)效率優(yōu)化后的DMCP-EV驅(qū)動(dòng)模式控制能夠有效改善雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)效率，從而降低了能耗，提升了整車經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)一款新型雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其多模式驅(qū)動(dòng)特性，建立雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和系統(tǒng)效率模型，并制定了經(jīng)PSO系統(tǒng)效率優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)模式控制策略。

（2）通過仿真和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果表明，針對(duì)DMCP-EV所制定的經(jīng)PSO系統(tǒng)效率優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)模式控制策略，可獲得更合適的驅(qū)動(dòng)模式，提升雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)效率，從而進(jìn)一步提高DMCP-EV的經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)化后能耗降低11%。

審核編輯：湯梓紅