新能源汽车技术-电驱动&能量管理2023年
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%。
为解决传统双电流调节器弱磁控制策略因交叉耦合和电流调节器饱和导致的系统不稳定问题，提高电流动态响应速度，本文提出一种稳定的永磁同步电机深度弱磁控制策略——基于电压相角的改进型单电流调节器弱磁控制及模式切换控制策略。该控制策略集成了动态性能优异、控制结构简单、不依赖电机参数、电压利用率高和可移植性强等优点。在分析了不同单电流调节器的稳定运行范围后，根据系统控制需求的不同，规划了不同的电流轨迹，设计了不同单电流调节器弱磁控制策略，优化改进了恒转矩区和弱磁区切换条件，确定了恒转矩区和弱磁区切换时保持电压相角不变的关键，提出了不同单电流调节器切换时，可根据控制需求的不同，设计不同的切换方法，但须确保切换时交轴电压保持不变的切换关键，使控制策略便于工程应用。仿真和实验验证了所提方法的稳定深度弱磁能力和切换控制策略的有效性，最终实现了6.3倍深度弱磁控制和弱磁区不同单电流调节器在电动工况和发电工况下的平滑切换。
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。
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。
为改善通过路面实现动力耦合与电池充电的TTR汽车经济性，分析TTR汽车结构及工作模式，基于等效油耗最小的能量管理策略（ECMS），计算固定等效因子（CECMS）；为使电池SOC保持稳定并控制发动机工作于低燃油消耗区，将行驶所需发动机等价总转矩及电池SOC模糊化，制定等效因子的模糊控制规则，而提出模糊自适应等效燃油消耗最小控制策略（FAECMS）。利用MATLAB/Simulink建立包含TTR汽车动力学的CECMS、FAECMS模型，选取FTP75、CLTC、WLTP 3种标准工况，当电池SOC初始值为60%时进行仿真计算，得出FAECMS相对CECMS在3种工况下电池SOC更稳定，并分别节约燃油5.5%、2.6%、8.3%。
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%。
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。
某型号混合动力专用变速器在动总台架及整车试验过程中发生P1电机输入轴断裂的问题，在排除电机输入轴本身强度问题的基础上，首次发现在P1电机连续短时起动发动机过程中存在双质量飞轮（DMF）的共振并圈现象。在此基础上，建立一维动力学仿真模型，验证了双质量飞轮的共振并圈现象，发现该现象导致电机输入轴产生的转矩为正常起动过程中转矩的5~6倍。最后提出一种优化起动过程的控制策略，解决了双质量飞轮的共振并圈，进而解决电机输入轴的断裂问题，同时也优化了整车起动过程的NVH性能。这为混合动力系统开发过程中类似问题的解决提供了一种新的思路，具有很强的指导意义和工程价值。
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。
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。
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%。
为研究集中式中心驱动四电机-4AMT变速器系统应用在纯电重型商用车上的动力性及经济性，根据整车动力学原理，基于相同车辆配置，建立了配备集中式中心驱动四电机-4AMT变速器系统和单电机-6AMT变速器系统的整车动力学模型，设置不同的电机、变速器、换挡点、工作电机数量等参数，并根据动力性及经济性工况，仿真得到动力性及经济性结果，再进行试验验证。结果表明，集中式中心驱动四电机-4AMT变速器系统的动力性及经济性优势明显。
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。
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%。
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。
随着电动汽车在我国的发展，动力电池的安全性能成为评价电动汽车综合产品力的重要指标，其中动力电池热失控的检测对乘车人员的安全至关重要。针对传统热失控检测方法在实际应用中难以准确做出判断的问题，从电池传感器直接观测的电压、电流、时间等参数中提取状态特征向量，使用混合高斯模型对特征进行最优化筛选。分别对动力电池不同的安全状态评估其混合概率分布，通过BW方法建立隐马尔可夫模型，利用维特比算法对当前观测序列计算相似概率来判断当前电池的健康状况。实验结果表明，隐马尔可夫模型对动力电池热失控的识别较常见时序检测方法更为准确，可以实现在无需电化学仪器检测的前提下达到初步热失控风险检测的目的，提升安全检测效率，降低检测成本。
开空调引起“实际续航里程显著缩短”是制约电动汽车发展的一大因素，如何降低空调系统能耗成为现阶段各大主机厂亟待解决的难题。本文综合考虑新风需求与能耗之间的平衡，提出制冷工况下汽车座舱新风比例智能控制策略，并针对基准通风方式与智能新风控制方式的节能效果进行了分析。分析发现新风比例智能控制策略可以显著降低空调系统能耗，环境温度为40 ℃时，压缩机能耗最大可降低约49.7%，电量为100 kW·h的电动汽车最多可增加实际续航82 km。
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%。
为研究不同预选挡机制下的双离合变速器敲击特性和控制方法，分别在整车和敲击台架上评价变速器的敲击主客观表现和随角加速度变化的敲击灵敏度；其次，根据敲击灵敏度，整车扭振响应和敲击主客观结果的相关性提出了一种定量评价变速器输入轴角加速度的无敲击扭振阈值。在相同整车上分别评价不同扭振和敲击的被动控制措施，包括离合器式扭转减振器，双质量飞轮式扭转减振器，以及离合器微滑摩和离心摆吸振器与扭转减振器的组合方案。台架试验结果表明预选挡显著改变双离合变速器的敲击特性，在某一激励幅值时产生敲击突变现象。整车试验结果表明离合器式和双质量飞轮式扭转减振器无法满足双离合变速器加速工况无敲击扭振阈值要求，在低转速段产生明显敲击；离合器微滑摩和离心摆吸振器与扭转减振器组合方案的输入轴角加速度幅值满足无敲击扭振阈值要求，消除了双离合变速器动力系统存在预选挡时的加速敲击。
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。
新能源汽车技术-电驱动&能量管理2023年
