新能源汽车技术-电驱动&能量管理&热管理2024年
能量管理决定燃料电池汽车（fuel cell vehicles，FCV）动力系统的功率分配，影响FCV的经济性与耐久性等。汽车运行工况复杂多变，能量管理可通过融合交通信息提升FCV动力系统的输出性能。本文总结了FCV能量管理的优化目标，分析了传统的规则式与优化式的能量管理策略；以车速、交通状况等交通信息的分析及预测为重点，综述马尔可夫、人工智能等预测方法，总结融合交通信息的FCV能量管理策略的研究进展；最后，提出融合交通信息的FCV能量管理发展方向。
纯电动汽车充电时间的安排是车主日常生活中至关重要的环节，直接影响车主出行的便利度和舒适体验。然而，目前仍然面临充电桩资源不足、充电须提前规划等挑战，为解决车主因车辆电量不足而无法立即用车的问题，提出一种基于 Transformer 模型的充电时间预测解决方案，帮助车主更好地规划日常行程。为了更好地了解电池性能衰减程度和容量损失情况，采用容量法评估电池健康状态，并分析驾驶人的充电行为，对电池充电行为特征进行构建。使用Savitzky-Golay 滤波器对表征电池衰减的特征进行平滑处理，并进行累积变换，使特征能更全面地表征电池信息；再耦合皮尔逊相关系数和 LASSO（least absolute shrinkage and selection operator）回归算法二次筛选得到最优特征集。最后，利用 Transformer 模型的超强注意力机制，对充电时间进行预测。通过实验数据验证，此方案可以准确且快速地预测纯电动汽车的充电时间，决定系数达到0.999，运行时间为156 ms。
为了提高轮毂电机驱动电动汽车的路径跟踪能力和操纵稳定性，本文针对主动四轮转向系统（4WS）和直接横摆力矩控制系统（DYC）提出一种新型的协调控制策略。首先，综合考虑车辆的路径跟踪性能和操纵稳定性，建立一种共享转向控制模型，并在此基础上提出基于非合作Nash博弈的4WS控制策略。其次，为了提高危险行驶工况下的车辆侧向稳定性，基于质心侧偏角相平面将车辆状态划分为稳定区域、过渡区域和失稳区域，并分区域建立DYC控制器。再次，为了实现后轮转向与直接横摆力矩的协同控制，建立基于模糊神经网络的ARS/DYC协调控制器。最后，利用CarSim/Simulink联合仿真平台和硬件在环平台，分别进行双移线工况下的试验验证。研究结果表明，所提出的控制策略能够有效地提高车辆在极端行驶工况下的路径跟踪精度和操纵稳定性能。
基于新能源汽车差速系统考核现状，结合差速系统搭载在越野/轿跑车型上开展越野场景/赛道工况场景路试过程中出现的差速系统失效问题，分析研究了新能源汽车差速系统搭载在越野车型上的应用场景、工作原理、损伤机理和失效形式，采用了Archard损伤模型进行损伤校核。基于聚类分析对路试车辆采集的海量实车数据进行筛选提取，并在此基础上转化为动力总成台架验证测试工况，复现了路试车辆差速系统故障，形成了新能源汽车沙地越野场景下的差速系统可靠性考核能力，为差速系统选型和优化、新车型开发提供了支持。同时，本文对如何提高差速系统的性能和可靠性，也具有一定的参考价值。
针对纯电动汽车两挡双离合自动变速器（two-speed dual-clutch transmission， 2DCT）换挡控制模型及参数的不确定性和存在的未知干扰，提出了一种线性自抗扰（linear active disturbance rejection controller， LADRC）换挡控制策略。首先建立2DCT换挡过程动力学模型，并分析了换挡过程；然后考虑控制模型的不确定性及未知干扰，将LADRC控制器应用到换挡过程对期望角速度进行跟踪，并采用扩张状态观测器（extended state observer， ESO）对扰动进行实时估计，并加以补偿，最后与PID控制进行对比。仿真和实验结果表明，该控制器跟踪误差更小，鲁棒性强，能保证良好的换挡品质。
提出一种高性能开关磁阻电驱动系统的高效正向协同设计方法，来提高开关磁阻电驱动系统的功率密度，同时降低汽车在典型循环行驶工况下的损耗。首先，建立开关磁阻电机动态转矩模型和径向力模型；然后，建立开关磁阻电机损耗模型，并结合齿轮传动系统损耗模型形成电驱动系统损耗模型，用于典型循环行驶工况下电驱动系统损耗的计算。最后，以机械、电气和控制参数为协同设计变量，以系统的循环行驶工况损耗、质量和转矩波动与径向力脉动为优化目标，采用了双层嵌套优化方法进行优化设计。基于上述方法对12/8级开关磁阻电驱动系统进行优化设计，经协同优化设计后的开关磁阻电驱动系统总质量减轻了19.76%；CLTC-P典型循环工况的系统总损耗减少了42.45%；系统综合效率提升7.66%。
电机模拟器作为一种模拟电机端口特性的三相电力电子装置，为电驱动系统的测试提供了高效的测试手段。电机模拟器还原目标电机端口特性的标志是精确还原目标电机的工作电流，现有研究实现了基波电流及较低阶次谐波电流的还原，但针对电机在电机控制器驱动下的高频纹波电流的还原仍严重依赖滤波电感与目标电机电感的匹配，降低了电机模拟器的通用性。为此，本文基于电路等效虚拟法将永磁同步电机等效电路拆分为两部分，一部分由电机模拟器实际电路代替，另一部分由控制算法模拟，并结合无差拍电流预测控制对控制差拍进行了补偿，提出了前馈解耦无差拍电流跟随策略。实验结果表明，基于新提出的永磁同步电机端口模拟算法，电机模拟器可以在不更换电感的情况下模拟不同参数的永磁同步电机，高频纹波电流的频域跟踪误差从传统策略的160%降低至20%，显著提高了电机模拟器对永磁同步电机端口特性的模拟精度。
开发电驱动总成（EDA）轻量级实时在线温度精确预测方法，对于提前有效监测其未来异常温度状态，确保车辆行驶安全至关重要。基于多物理场耦合与数据驱动融合建模，提出了EDA瞬态温度场在线预测方法。首先，建立EDA电-磁-热-流多物理场耦合有限元模型，并通过台架试验验证该模型准确性；其次，采用有限元模型生成了几种常规工况下的瞬态温度场数据集，以用于后续代理模型的测试验证；然后，结合有限元模型获取简化的热网络拓扑和图卷积神经网络，提出一种模型与数据双轮驱动建模的EDA时空关系图卷积神经网络预测模型；最后，通过不同工况下的离线仿真对比分析和台架在线测试，对所提出的温度预测模型进行有效性和实时性验证。实测离线数据集上的分析结果表明：全局预测误差和平均绝对误差分别为4.4 和1.25 ℃，相较于常规时序图卷积神经网络和门控递归单元方法分别降低17.3%、28.1%和5.3%、29.3%。台架在线预测结果也与真实测量值十分接近，其全局预测误差和平均绝对误差为3.99和0.66 ℃。总之，所提出的实时在线温度预测方法可以准确预测EDA真实温度变化。
带载电磁兼容（electromagnetic compatibility， EMC）试验系统是测试新能源汽车电驱动系统电磁干扰（electromagnetic interference，EMI）性能的重要设备。为优化我国自主研发带载电磁兼容试验系统，推动电驱动系统电磁干扰特性研究，本文优先自主研发了能够完全满足CISPR 25—2016测试标准的电驱穿墙带载电磁兼容试验系统。通过对电磁兼容试验的需求进行分析，提出了电磁兼容试验系统设计方案。然后，建立电磁兼容试验系统三维模型，并进行电磁学仿真，同时对系统的干扰源、屏蔽完整性等进行分析，进而保障所设计系统的电磁兼容性。最后，通过搭建电磁兼容试验系统，基于底噪测试进行分析与优化，进一步提升了系统的准确性与可靠性。
针对电动汽车接入微电网后负荷峰值会显著增加，使得峰谷差提升，从而影响微电网的稳定运行的问题，提出基于数字孪生混合储能的电动汽车参与微电网负荷功率波动平抑方法。通过计算电动汽车初始荷电状态和电动汽车离网时间，分析电动汽车负荷特性；将数字孪生技术和微电网混合储能系统相结合，构建数字孪生混合储能模型，结合电动汽车负荷特性结果，构建负荷功率波动平抑目标函数，实现负荷功率波动一次控制；通过HESSS自调节二次修正负荷功率，完成电动汽车参与微电网负荷功率波动平抑。测试结果显示：在该方法应用下负荷功率的波动情况均在20~60 kW之间，微电网供电不足概率结果均低于33%，典型日和非典型日中电力负荷峰谷差的结果均在44%以下。由此说明该方法能够分析电动汽车在不同的状态下的荷电状态，可有效实现微电网负荷功率平抑。
为了提高EMB的安全性和可靠性，提高EMB驱动系统的容错性和抗扰能力，提出一种基于改进型高阶线性自抗扰控制器的串级矢量控制系统。首先，提出改进型高阶线性自抗扰控制器的设计方法，通过改进型高阶线性自抗扰控制器提高系统低频抗扰能力，同时降低对高频噪声的敏感度；其次，分析归纳EMB驱动系统内存在的扰动类型，并理论分析改进型高阶线性自抗扰控制器对电机参数摄动的鲁棒性。仿真和实验结果表明：该控制策略和控制算法可以实现对EMB驱动系统内电机参数变化、负载扰动、电流交叉耦合和宽频域扰动等多种扰动类型的抑制，验证了其有效性。最终，EMB驱动系统实现了5倍电机参数摄动下的抗扰控制。通过动态解耦，提高了EMB驱动系统在高速时的动态性能。该控制策略和控制算法显著提高了EMB驱动系统的容错性和鲁棒性。
针对功率分流混合动力系统模式切换过程连续瞬态冲击机理尚不明确且缺乏客观评价指标和方法的问题，本文探究了模式切换连续瞬态冲击机理及其性能客观评价方法。首先，结合动力传动系统高动态性能测试台架，建立了考虑转矩过零、齿轮副啮合时变刚度、齿隙及驱动电机转矩脉动的功率分流混合动力专用变速器（DHT）瞬态扭振模型；其次，研究了DHT模式切换过程转矩过零变化机理，提出了考虑转矩过零次数和模式切换时间的连续瞬态冲击性能时域评价指标，并采用短时傅里叶变换方法建立了基于冲击度时频特性的频域评价指标；最后，以纯电动向功率分流混动模式切换过程为例，采用变异系数法对不同加速踏板开度和齿隙影响下的连续瞬态冲击性能进行了客观分析评价。结果表明，功率分流DHT动力输出端转矩频繁过零和齿隙间的耦合作用是引发模式切换过程连续瞬态冲击的主要原因，减小齿隙可降低最大振幅频率100～200 Hz范围内的连续瞬态冲击；同时，根据综合评价得分对比，得到了模式切换过程连续瞬态冲击性能优化参数，本研究可为功率分流混合动力系统模式切换平顺性协调控制策略优化提供支撑。
永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor，PMSM）因转速范围宽、输出转矩大、调速响应快、尺寸小、质量轻等优点被广泛应用于电动汽车驱动系统。受恶劣气候、异常振动和频繁起动-制动工况因素影响，PMSM易发生匝间短路、退磁、轴承磨损等故障。本文针对PMSM相似故障单一维度信号下难区分以及工作条件发生变化时传统诊断方法鲁棒性差的问题，提出了一种基于经验模态分解-对称点模式（empirical mode decomposition-symmetric dot pattern，EMD-SDP）图像特征和改进DenseNet相结合的车用永磁同步电机故障诊断方法。首先，通过实验获取不同状态的电机在多种工况下振动信号，将预处理的振动信号进行EMD处理，求解不同层级本征模态函数（intrinsic mode function，IMF）；其次，将原始振动信号转化为SDP图像，对不同层级IMF转化为RGB色彩特征在SDP图像上显示出来；然后，通过融合scSE注意力机制改进DenseNet学习图像数据集构建分类网络模型；最后，按照信号-图像-网络的流程对待测电机状态进行评估与诊断。诊断结果表明：所提出的方法在稳态和变速瞬态工况下均表现良好的性能。在恒速恒载工况下，所提的方法达到最高的故障诊断准确率（99.72%），相比基准的DenseNet的准确率（98.06%）提升了1.66个百分点。改进后的DenseNet模型和DenseNet模型的ROC曲线最接近左上角，AUC均值分别为0.997 4和0.974 5；在加速恒载和减速恒载工况下，改进后的DenseNet模型也达到了最高的诊断准确率，分别为96.88%和97.08%。AUC均值分别为0.987 7和0.986 9。本文所提出的方法的总体性能优于传统方法，能有效地用于速度变化时的故障诊断。
针对采用拉维娜行星齿轮机构和传统多挡变速器的并联混合动力构型选择，采用基于杠杆法以挡位设计规则、动力特性规则、工作模式规则、可制造性规则相结合的一种综合评价方法，对混合动力系统构型进行分析和筛选，并确定了构型方案和该方法的筛选流程。其次针对整车的设计目标，对发动机、电机的参数进行了选择，并运用GT-SUITE软件搭建整车纵向动力学模型。在此基础上，采用Pareto前沿对变速器参数进行了优选，最终在确定混合动力构型的基础上，优选确定了混合动力系统的设计参数，并通过仿真验证了方案的可行性，为采用拉维娜行星齿轮机构和传统多挡变速器的并联混合动力系统研究提供了理论依据。
针对电动汽车车载环境复杂多变，影响电流传感器测量精度，更恶劣情况会导致电机驱动系统一相或多相电流传感器发生故障失效问题，因此基于扩展卡尔曼滤波提出一种无电流传感器控制算法，利用永磁同步电机定子电压、转子位置和转速信息重构电机定子电流，并针对无电流传感器算法导致的系统延迟问题设计了前馈补偿环节来改善系统动态性能，并对所提算法进行加减速及鲁棒性实验，仿真及实验结果均验证了所提方法的有效性。
双电机无同步器多挡机械变速器系统可以有效改善重型商用车经济性和动力性。为分析系统在最优参数下的最优性能，并综合考虑车质量和空满载差异的影响，本研究同时优化驱动电机参数和机械变速器速比参数，对比最优参数下单/双电机多挡驱动系统的经济性和动力性。结果表明：双电机驱动系统降低了车辆经济性对车质量以及空满载差异的敏感度；双电机驱动系统最高车速提高约8%，加速时间可节省约28%。
为全面梳理纯电动汽车电驱动系统故障诊断的发展现状，明确未来发展趋势，本文首先介绍了纯电动汽车电驱动系统的基本架构、功能及发展历程；然后详细总结了纯电动汽车电驱动系统关键部件的故障类型及原因，分析了纯电动汽车电驱动系统关键部件故障诊断方法的主要研究现状；接着将诊断方法从专家知识驱动、模型驱动、信号驱动和数据驱动4个方面详细综述了纯电动汽车电驱动系统国内外研究进展和发展动态，并针对不同方法的优缺点进行了对比；最后对纯电动汽车电驱动系统故障诊断所面临的问题及发展方向进行了分析和展望，进一步讨论并指出未来纯电动汽车电驱动系统故障诊断研究可以集中在变工况耦合故障诊断、微小故障诊断和前期故障诊断研究、实时在线故障诊断、基于故障诊断的智能运维、未知故障诊断与系统自愈技术等方面。
针对电动汽车电池管理系统从控板服役过程中因温度过高和不均影响整车动力性、安全性问题，本文基于CFD理论，采用Icepak软件建立并验证了某商用BMS从控板热分析模型。首次在车载服役条件下，基于热分析模型开展了温度场分析和热均匀性优化研究。BMS从控板热仿真分析表明，均衡模块及供电模块因局部积热温度均超过BMS的设计温度限值60 ℃，整个BMS从控板最大温差为21.0 ℃。为此，进一步开展了BMS从控板散热路径分析，并通过改变均衡电阻间距、布局、PCB基材以及增设导热硅胶垫进行散热优化设计。提高了BMS从控板的散热能力，使BMS从控板的最高温度控制在设计规定值60 ℃以下，同时整个电路板的温差降为6.9 ℃，提高了BMS从控板在实际车载服役条件下的安全性和可靠性，可望为BMS从控板热设计与优化提供理论方法。
新能源汽车技术-电驱动&能量管理&热管理2024年
