新能源汽车技术-电驱动&能量管理2023年
分布式驱动电动汽车的各轮轮毂电机驱动力矩独立可控，是一个典型的过驱动系统。通过优化各轮驱动力矩分配，可以实现容错控制。本文中以分布式驱动电动汽车为研究对象，针对线控转向系统和轮毂电机多执行器同时失效的轨迹跟踪问题，提出了一种基于差动转向和驱动转矩分配的容错控制方法。该方法采用分层式架构：上层控制器通过模型预测控制方法得到前轮转角，并在转向系统执行器失效时，通过滑模控制方法计算差动转向力矩；下层控制器结合故障诊断信息，基于二次规划算法求解存在驱动电机失效情况的转矩优化分配策略。最后，进行了单执行器失效及多执行器同时失效的仿真实验，结果验证了该容错控制方法的有效性。
有效的热管理对于燃料电池汽车（fuel cell vehicles，FCV）的高效运行至关重要。燃料电池汽车热管理多采用各子系统独立管理方式，然而这种独立的方式并不能很好地利用自身余热从而提高热管理效率和续航里程。对此，本文开发了一种利用燃料电池余热的整车集成式热管理（vehicle integrated thermal management，VITM）系统，采用热交换器进行一体化的VITM，实现燃料电池的余热回收和各部件高效的热管理，通过六通阀的集成设计实现各回路解耦的灵活管理。并在AMESim仿真平台上开展热管理的仿真研究。结果表明：本文开发的VITM系统能保持燃料电池汽车各部件稳定维持在规定的工作温度范围内；在-10 ℃的环境温度下，利用燃料电池余热作为热源的热泵空调给动力电池加热，与直接加热模式相比，加热时间缩短55%；给乘员舱加热的时间缩短85%，且能耗比（coefficient of performance，COP）值为4，能耗降低75%。
电动汽车能实现节能减排与蓄能调峰，其推广应用对于我国“双碳”战略目标的实现具有重要意义。针对现有电动汽车热管理系统尚存在换热流程复杂、系统能效低、难以轻量化集成等问题，本文中提出基于三介质换热器的电动汽车热管理系统，通过样机实验测试建立了三介质换热器计算模型，并结合电动汽车负荷模型与热泵模型建立了三介质换热器电动汽车热管理系统性能模型，分析该系统在不同工况下的运行特性，并与现有典型热管理系统方案进行性能对比。结果表明，在夏季36 ℃、60 km/h工况下，三介质换热器热管理系统相较于现有的采用风冷冷凝器、液冷冷凝器的热管理系统分别节能2.3%、15.1%；在冬季0 ℃、60 km/h工况下，采用舱外、舱内三介质换热器进行余热回收时，分别比不采用余热回收的系统节能5.9%、19.7%。
为提升电动车在低温环境下的续航里程，提出基于加热目标温度优化的电池组预加热策略，充分提高电池在低温环境下的能量效率，满足目标行驶里程的需求。首先通过实验测试确定不同温度下电池的最大放电能量；其次基于不同温度下电池的能量保持率和考虑温度对电池寿命的影响，建立非线性多目标约束方程并求解，得到不同环境温度和不同SOC状态下电池的最优加热目标温度；最后基于实测数据标定的整车物理模型对加热策略进行验证。实验结果表明，在-15和-5 ℃的初始温度下，基于优化的电池加热目标温度，整车的续航里程最大分别提高了8.41%和4.77%，说明所提方法能够明显提升低温下电动车的续航里程。
目前纯电动汽车续航里程受环境影响程度较大。本文以SUV车型为研究对象，利用计算流体力学软件搭建了乘员舱的数学模型，耦合了人体热生理模型，将Berkely热舒适性评价模型用于乘员舱内人体热舒适性的评测。针对高温工况分别就送风温度、送风速度和送风湿度对乘员舱内部热环境、空调的总负荷以及人体热舒适性的影响程度进行了研究。结果表明，在送风风速由低到高改变的过程中，乘员的整体热舒适性会先上升，后下降，且能耗也随之升高。且在较低送风风速条件下，送风温度的变化对整体热舒适影响有限。送风湿度对热舒适的影响程度要弱于送风温度和送风风速。同时本文将送风风温、送风相对湿度、送风风速作为自变量，把乘员的整体热感觉、整体热舒适指标乃至空调系统总负荷当作研究对象，拟合出它们之间关系的回归方程。利用多参数优化分析的方式，不同送风参数对热舒适性和空调负荷的影响进行耦合分析。把乘员的整体热舒适指标的目标值设置成0，把空调系统热负荷降目标值设置成最小值，并且使乘员的整体热舒适指标与空调系统负荷二者的权重均设置成1，求取最佳方案，实现在提高热舒适性的同时减小空调系统热负荷的目的。
在车辆智能化与电动化趋势下满足人体热舒适性和车辆节能性双向需求是乘员舱区域化热环境管理的重要优化目标。尤其在高度非均匀“热-流”特性狭小空间环境中，只有正确认识并量化人体局部受热、响应和热需求的差异性与相关影响，才能高效地优化乘员舱热环境。为此，结合人体自身物理和生理热调节特性及其与乘员舱环境传热关系，建立人体热响应数值分析模型，分析非均匀局部气流作用下人体皮肤温度和热感觉变化规律，并应用影响因子分析方法量化局部与整体热感觉关系特征，得到局部气流作用状态对人体整体热感觉影响的不同关键部位。结果表明，在相同强度冷/热激励下，人体头部和手部是影响人体整体热感觉的主要部位，二者皮肤温度和热感觉变化幅值最大；高温环境中局部冷却作用需求的关键部位依次为头部、手部、前胸和后背，偏冷环境中局部加热作用需求的关键部位为头部、手部和脚部。
为满足锂电池成包后的温度一致性需求，本文提出一种基于热管与液冷板的复合冷却结构。利用数值模拟对液冷板内两种不同流道（流道I和流道II）的冷却性能进行对比，结果表明流道II的冷却性能更优；采用正交试验法筛选出4个对流道II冷却性能影响较大的结构因素作为设计变量，以电池组温差和冷却液压降为目标函数，建立设计变量与目标函数之间的Kriging代理模型并采用NSGA-II遗传算法进行寻优。与初始结构相比，优化后的流道II对应的电池组温差和冷却液压降分别降低了10.52%和50.14%，而电池组最高温度仅升高了0.68%。本文的方法和结论可为热管式锂电池冷却结构的设计与优化提供借鉴。
为提升电池热管理系统的综合性能，本文提出了一种具有同心圆结构通道的液冷板。首先，利用控制方程讨论了环形通道数量和宽度对液冷板综合性能的影响，并通过综合评价指标选出了最佳环形通道数量和宽度。然后，为了更大程度上降低液冷板压降，将部分曲段通道进行直化，并优化了直段通道角度以及圆心距。与初始模型相比，最优模型的压降降低了62.83 Pa（67.61%），温度降低了1.1 ℃。最后，为进一步提升系统的散热性能，在最优模型的基础上引入了不同种类和体积分数的纳米流体作为冷却介质，与纯水相比，在低雷诺数下采用纳米流体作为冷却介质可以获得较好的综合性能，综合评价指标最高可提升16.19%，效果显著。
提出一种纯电动汽车传动系统与电机结构参数协同设计优化方法，来提高纯电动汽车动力性与经济性，同时降低永磁同步电机齿槽转矩以降低电机的振动噪声。首先，以电机结构参数为输入，额定转矩与齿槽转矩为输出，开展了基于电机多参数仿真和不同机器学习预测模型精度的研究，并建立永磁同步电机额定转矩和齿槽转矩的高精度机器学习预测模型；其次，利用电机基本设计参数（额定转矩、峰值转矩、额定转速、峰值转速）以及峰值效率构建永磁同步电机效率map图的快速预估数学模型；再次，基于电机齿槽转矩预测模型以及电机效率map图的快速预估数学模型，建立电机结构参数与效率特性的映射关系；最后，以电机结构参数和传动比为优化变量，整车动力性、经济性以及电机齿槽转矩为优化目标，运用遗传算法进行多目标优化。仿真结果表明，相较于优化前，优化后的整车性能0-100 km/h加速时间缩短了27.3%，15 km/h最大爬坡度提高了40.5%，WLTC工况能耗减少了1.6%，电机齿槽转矩降低了42.2%。
分布式驱动汽车由于其左右轮转矩独立可控等优点，近年来受到广泛关注；而两挡变速器的使用可有效提高此类电动汽车的动力性与经济性。本文针对分布式驱动汽车提出了一种轮毂电机两挡变速器构型，并针对该构型设计了基于前馈加反馈的无动力中断换挡控制策略，以解决两挡变速器换挡过程动力中断的问题。接着，针对左右轮毂电机两挡变速器协同换挡问题，提出基于逻辑门限的左右协同换挡控制策略，以避免车辆在换挡过程中产生的较大横纵向加速度突变。最后基于搭建的Simulink-Simscape模型进行了无动力中断换挡与左右协同换挡控制策略的仿真验证。仿真结果表明，本文所提控制策略可有效避免轮毂电机两挡变速器换挡过程的动力中断，并可有效减少左右不协同换挡所带来的整车横纵向加速度突变。
双电机耦合驱动系统可实现无动力中断模式切换和不同负载下的高效驱动，显著提高纯电动汽车的动力性和经济性。因其具有多自由度、多源驱动等特性，导致构型设计无规律可循。本文采用功能分析法研究双电机耦合驱动系统构型的功能生成及结构衍生过程，提出包含功能生成及结构衍生的分层设计方法。建立以子机构为基本单元的图论模型，基于运动干涉判断路径可耦合条件，通过路径叠加，获取满足功能需求的操纵序列。提出由基本构型到齿轴构型、齿轴构型到具体构型的逐级结构衍生方法。最后以某电动商用车为例，选取优选方案进行参数设计并仿真分析。与原车相比，C-WTVC工况下该类方案的百公里耗电量降低了8.97%，0-50 km/h的加速时间缩短了8.9 s。
由于功率分流混合动力系统性能测试台架与实际车辆的动力学特性存在差异，导致测试台架难以精确模拟实车的行驶负载特性，使得功率分流混合动力系统模式切换性能测试的准确度不高。为此，本文提出一种基于负载动态补偿的功率分流混合动力系统模式切换性能台架测试方法。首先，建立了考虑实际车辆道路负载、模拟发动机、功率分流混合动力专用变速器（dedicated hybrid transmission， DHT）和测试台架传动系统的台架系统动力学模型；其次，针对纯电动至功率分流混合动力模式切换过程，对比分析了动力源的动态响应和台架系统模型的加载特性；然后，设计了基于转速闭环跟踪的转速前馈校正补偿器以提高负载模拟转速控制的抗干扰能力，并结合转矩前馈校正补偿器降低加载转矩的动态误差。最后，离线仿真和硬件在环台架试验结果表明：基于台架系统模型开发的负载动态补偿算法可提高测试台架加载精度32.67%以上，保证了功率分流混合动力系统模式切换性能测试的准确性。
分布式电驱动装载机是电动底盘技术在工程车辆上的重要应用。装载机铲土作业时车速接近于零且不易准确获取，基于滑转率的防滑控制算法难以应用。本文通过分析车轮打滑时的角加速度特性，提出基于车轮角加速度逻辑门限的防滑控制方法和数据处理算法。首先通过装载机的实车数据验证算法的有效性。随后采用ADAMS和Simulink联合仿真分析，结果表明算法在装载机铲土作业工况下能有效防止车轮持续打滑，发挥路面附着条件。同时，该控制算法在低附路面加速工况下也获得良好的防滑效果，具有一定的路况适用性。
能量管理策略是混合动力汽车关键技术之一。随着计算能力与硬件设备的不断升级，越来越多的学者逐步开展了基于学习的能量管理策略的研究。在基于强化学习的混合动力汽车能量管理策略研究中，智能体与环境相互作用的导向是由奖励函数决定。然而，目前的奖励函数设计多数是主观决定或者根据经验得来的，很难客观地描述专家的意图，所以在该条件不能保证智能体在给定奖励函数下学习到最优驾驶策略。针对这些问题，本文提出了一种基于逆向强化学习的能量管理策略，通过逆向强化学习的方法获取专家轨迹下的奖励函数权值，并用于指导发动机智能体和电池智能体的行为。之后将修改后的权重重新输入正向强化学习训练。从油耗值、SOC变化曲线、奖励训练过程、动力源转矩等方面，验证该权重值的准确性以及在节油能力方面具有一定的优势。综上所述，该算法的节油效果提高了5%~10%。
为解决低速工况下轮速传感器测量精度低、更新周期长的问题，利用现有的底盘域传感器的信号，本文提出了一种基于多传感器信号的电驱动汽车低速车速估计方法。为准确估计车速，建立了基于多轮速脉冲信号的车速估算模型（模型I）和基于电机转速信号的车速估算模型（模型II）。在估算轮速时，模型I可以有效地避免噪声干扰，但在极低速的情况下，其更新周期较长；而模型II估算得到的轮速信息更新周期短、精度高，但其无法克服传动系统中由于齿隙所产生的冲击干扰。为充分发挥两种估算模型的优势，本文采用交互多模型融合算法对两个模型的输出结果进行加权融合，并通过实车对比测试，验证了所提出的低速车速估计算法在不同行驶路面下的准确性和可靠性。结果表明，相较于传统轮速估算方法，该方法在低速工况下具有更高的估计精度和实时性。
汽车在高温环境下高负荷行驶后怠速或熄火，会导致位于发动机舱和下车体的部分零件温度瞬间升高，造成零件的热害。四驱车型由于四驱传动系统与排气系统在下车体中通道并行布置，使排气管和周边需要温度保护的零件之间的距离进一步压缩，零件的热害风险加大。本文中采用瞬态CFD仿真方法，模拟车辆在高温环境、高负荷行驶后怠速工况下零部件热害的发展过程。车辆环境风洞测试结果表明，高温瞬态热害CFD仿真误差基本在10%以内；把导致零件温度发生变化的对流换热功率和辐射换热功率分离，能准确地确定零件高温的原因，有利于快速找到优化方案。
针对电动车驱动电机中参数存在不确定性的复杂情形，提出了一种考虑参数混合不确定性的驱动电机振动特性分析方法。首先基于神经网络代理模型建立驱动电机的径向电磁力、转矩波动和齿槽转矩的响应模型；然后，采用混合不确定模型描述驱动电机的不确定参数，将信息充足的参数描述为随机变量而信息匮乏的参数描述为区间变量；接着，结合泰勒级数展开和中心差分法，推导了一种求解驱动电机振动特性混合不确定响应的泰勒级数展开-中心差分法（Taylor series expansion-central difference method， TSE-CDM）；最后，为验证TSE-CDM的有效性，给出了一种蒙特卡洛法作为参考方法。对某驱动电机振动特性的算例分析表明：基于2D有限元模型和神经网络模型计算驱动电机振动特性，具有较高的计算精度和效率；TSE-CDM能够有效地求解驱动电机振动特性的混合不确定响应。
智能交通系统技术的发展为进一步提高车辆驾驶性能带来了新的机遇。插电式混合动力汽车的生态驾驶涉及到3个问题，分别为如何利用动态交通信息对纵向行驶速度进行规划，动力电池SOC全局最优快速规划，以及动力系统实时能量管理。为此，本文中设计了一种结合通精度模型的兼顾计算效率与求解精度的分层式控制策略。上层控制融合了动态交通信号灯信息，通过对车辆行驶速度优化提高了驾驶舒适性，中层则通过对动力系统模型拟合近似，利用凸优化算法实现了SOC快速全局最优规划，为消除拟合模型产生的误差，下层则基于原始非线性模型，通过反馈控制，构建了一种自适应等效燃油消耗最小值策略（A-ECMS）。结果表明，车辆的驾驶舒适性相比于没有速度优化的策略提升了75.92%，且燃油经济性相比于两种常用的基于线性规划的策略分别提升了7.39%与10.91%。
分段电枢轴向磁通电机基于其较高的转矩密度和紧凑的轴向尺寸，近年来被广泛应用于电动汽车领域。然而，由于分段电枢绕组与冷却结构接触位置的材料构成复杂，各点的接触压力难以确定，该区域的热导率始终是此类电机温度预测的难点。针对非理想接触面的传热行为，本文提出了一种在三维热阻网格模型基础上建立加权模型的研究方法以微调未知热导率。首先，介绍原理样机的拓扑结构，建立分段电枢单扇区的热阻网格模型以及加权模型框架。然后，通过遗传算法训练加权模型中的未知热导率，并使用该模型替换了传统的电机单扇区热阻网格模型。最后，该方法在原理样机实验台架中得到验证。
为提高电动汽车所配永磁同步电机（PMSM）的驱动系统工作效率，增强运动过程的平稳性及响应速度，以达到提升电动汽车驱动系统的整体动态控制性能。根据电动汽车电机工作特性分析及反馈控制原理推导，提出并设计切换函数式混合控制技术。该控制技术有效地提高了车用电机控制系统的动、静态性能和鲁棒性。为验证所提控制技术的有效性，建立仿真模型对其进行仿真分析，并搭建实验平台进行实验验证。仿真与实验结果均表明，所提控制技术具有输出响应快、无超调和振荡的优点，能够提高电机工作效率，优化驱动系统输出特性，提升电动汽车驱动系统的控制性能。
新能源汽车技术-电驱动&能量管理2023年
