一种基于模型预测控制的电动汽车能效控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于模型预测控制的电动汽车能效控制方法，包括以下步骤：1)根据电动汽车的属性，建立电动汽车的动力学模型；2)建立永磁同步电机在同步旋转的d‑q坐标系下的模型；3)建立基于永磁同步电机的电动汽车PMSM‑EV的整体模型；4)建立预测控制的优化模型；5)求解优化模型，将求得的电机直轴电流id和交轴电流iq作为预测控制的输出。本发明专利技术方法通过搭建MPC算法框架，将预测控制问题转化为以电机直轴电流id和交轴电流iq为变量的优化问题，可以保证电动汽车拥有更好的动态性能和更低的能量损耗，尤其是在变工况时拥有显著的效率提升。

An Energy Efficiency Control Method for Electric Vehicles Based on Model Predictive Control

【技术实现步骤摘要】
一种基于模型预测控制的电动汽车能效控制方法
本专利技术涉及新能源汽车技术，尤其涉及一种基于模型预测控制(MPC)的电动汽车(EV)能效控制方法。
技术介绍
石油资源的日益短缺以及汽车环境污染等因素，迫使人们开始重新考虑未来汽车的动力问题。而集多项高新技术于一体的电动汽车具有无排放污染、噪声低、维修及运行成本低等特点，正在引起世界汽车工业的一场革命，将取代燃油汽车成为未来汽车的主流。一次充电续行里程短是目前制约电动汽车发展的主要因素之一，而电动汽车驱动系统的效率优化是解决续行里程短问题的有效途径之一。电动汽车驱动系统由电池、电动机、逆变器及控制器组成，驱动系统不仅要求有良好的动静态特性和较宽的调速范围，而且对能量利用效率的要求相当苛刻。由于电动汽车运行过程中道路状况和驾驶模式多变，车辆工况会经常变换。驱动系统的整体效率会随着输出功率有很大的差异。因此，驱动系统效率优化应从整车控制的角度出发，对电机的控制算法进行改进，使得车辆在整个工况变换过程中，电动汽车驱动系统能够高效运行。大部分驱动系统优化研究对变工况优化控制研究较少，而电动汽车运行过程中会经过大量的变工况过程，因此，在变工况条件下研究效率优化更符合电动汽车实际运行过程。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于模型预测控制的电动汽车能效控制方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于模型预测控制的电动汽车能效控制方法，包括以下步骤：1)根据电动汽车的属性，建立电动汽车的动力学模型；其中，Jv为车轮转动惯量，ωv为车轮转速，Tv为连接车轮的传动轴输出力矩，TL为汽车前进过程中总的阻力矩；2)建立永磁同步电机在同步旋转的d-q坐标系下的模型；其中，Jm为电机轴联转动惯量，ωm为电机的转子角速度，Te为电机输出的电磁转矩，TLM为电机负载阻力矩；Te＝1.5pn[Ψmiq+(Ld-Lq)idiq]其中，id为电机直轴电流，iq为电机交轴电流，ud为d轴电压；uq为q轴电压；id为d轴电流；iq为q轴电流；Ld为d轴电感；Lq为q轴电感；Ψm为永磁体产生的磁链；pn为极对数；R为定子电阻。3)将永磁同步电机和电动汽车的模型，通过传动系统进行连接，建立基于永磁同步电机的电动汽车PMSM-EV的整体模型，得到PMSM-EV的转速力矩关系；其中，n为传动系统的变速比，Tv＝nTLM，ωm＝nωv；4)设计模型预测控制的代价函数，根据代价函数和PMSM-EV的转速力矩关系，建立预测控制的优化模型，优化模型以总能耗和速度响应为目标，具体如下：5)求解优化模型，将求得的电机直轴电流id和交轴电流iq作为本次预测控制的输出，即可实现滚动优化的控制效果。本专利技术产生的有益效果是：1、整合了永磁同步电机和电动汽车的数学模型，因此该电机控制方法可以有效地控制电动汽车；2、本控制方法着重考虑变工况下的电动汽车能耗和速度响应情况，因此可以对电动汽车的变速过程进行高效的控制，尤其在复杂的路况下可以显著提升电动汽车效率。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例的方法流程图；图2是本专利技术一个实施例的控制系统设计框图；图3是本专利技术一个实施例和两种传统控制方法对比实验的加速过程中电动汽车速度响应对比示意图；图4是本专利技术一个实施例和两种传统控制方法对比实验的加速过程中的电动汽车能耗对比示意图；图5是本专利技术一个实施例和两种传统控制方法对比实验的加速过程中的电机电流对比示意图；图6是本专利技术一个实施例和两种传统控制方法对比实验的加速过程中的电机输出转矩和负载转矩对比示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，一种基于模型预测控制的电动汽车能效控制方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤1，对电动汽车进行受力分析，考虑主要影响电动汽车的外界因素，建立电动汽车的动力学模型。根据PMSM的内部原理建立其d-q坐标轴下驱动电流和转速的关系。通过传动系统整合电动汽车模型和PMSM模型建立PMSM-EV模型，为控制算法的设计奠定基础。步骤1中搭建基于永磁同步电机的电动汽车数学模型，根据永磁同步电机和电动汽车的原理分别进行建模，然后通过传动系统进行连接，建立PMSM-EV的整体模型。其中电动汽车的动力学模型可以表示为式中：v为汽车行驶速度；m为汽车的质量；δ为汽车旋转质量换算系数；FT为汽车牵引力；FR为道路行驶阻力。空气阻力Fwind可以近似表示为式中：cair为空气阻力系数；ρa为空气密度；AL为汽车前向迎风面积。道路行驶阻力FR为FR＝mg(fcosα+sinα)(3)式中：f为滚动阻力系数。在电动汽车运动过程中存在以下关系。式中：r为车轮半径；ωv为车轮转速；Tv为连接车轮的传动轴输出力矩；TR为道路行驶阻力矩；Tw为风阻力矩；TL为汽车前进过程中总的阻力矩；Jv为车轮转动惯量。式(1)可以转化为电动汽车传动轴力矩来自PMSM。PMSM在同步旋转的d-q坐标系下的数学模型[18]可以表示为Te＝1.5pn[Ψmiq+(Ld-Lq)idiq](9)式中：ud为d轴电压；uq为q轴电压；id为d轴电流；iq为q轴电流；Ld为d轴电感；Lq为q轴电感；ωm为电机的转子角速度；Ψm为永磁体产生的磁链；Te为电机输出的电磁转矩；pn为极对数；Jm为电机轴联转动惯量；TLM为电机负载阻力矩；R为定子电阻。电机输出的电磁转矩可以通过电动汽车的传动系统传输到车轮上，从而产生牵引力推动汽车前进。根据电机和车轮之间的传动关系可以得到Tv＝nTLM,ωm＝nωv(11)式中：n为传动系统的变速比，对电动汽车而言一般为常数。根据式(5)，式(10)和式(11)可以得到PMSM-EV的转速力矩关系。步骤2，根据步骤1建立的PMSM-EV模型建立MPC框架。考虑到电动汽车的性能指标，在设计MPC的代价函数时综合考虑了电动汽车的速度响应和动态能耗。可以将MPC的代价函数归结为一个关于id和iq的非线性最优化问题，通过求解这个最优化问题可以得到合适的电流给定值。MPC的代价函数可以表示为式中：P(k)为电动汽车能耗功率；ωr和ω(k)分别为电动汽车的设定转速和实际转速；α和β为权重系数。假设PMSM和电动汽车之间的传动系统没有能量损耗，P(k)可以表示为电机输出功率和损耗功率之和。式中：Te(k)为电机输出的电磁转矩，将式(9)代入可得在实际控制中为了便于调节权重系数，最常用的方法为归一化代价函数，将两个权重系数分别除以函数各项额定值，可以表示为式中：Pmax为电机额定输出功率；ωr为电动汽车的设定转速。通过调节α0和β0即可改变能耗和速度跟踪在代价函数中所占的比重。将式(12)离散化，可以得到电动汽车转速的递推公式为根据以上分析，可以将每一步预测控制归结为一个非线性最优化问题式中：ω为当前时刻电动汽车角速度测量值，通过式(17)可以递推出之后n-1个时刻角速度。TL为当前时刻观测到的阻力矩，在接下来n-1个时刻的预测中忽略风阻和路面的变化，假设TL为定值。设X＝[id(1),id(2)...id(n),i本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模型预测控制的电动汽车能效控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据电动汽车的属性，建立电动汽车的动力学模型；建立的电动汽车的动力学模型如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于模型预测控制的电动汽车能效控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据电动汽车的属性，建立电动汽车的动力学模型；建立的电动汽车的动力学模型如下：其中，Jv为车轮转动惯量，ωv为车轮转速，Tv为连接车轮的传动轴输出力矩，TL为汽车前进过程中总的阻力矩；2)建立永磁同步电机在同步旋转的d-q坐标系下的模型；其中，Jm为电机轴联转动惯量，ωm为电机的转子角速度，Te为电机输出的电磁转矩，TLM为电机负载阻力矩；Te＝1.5pn[Ψmiq+(Ld-Lq)idiq]其中，id为电机直轴电流，iq为电机交轴电流，ud为d轴电压；uq为q轴电压；id为d轴电流；iq为q轴电流；Ld为d轴电感；Lq为q轴电感；Ψm为永磁体产生的磁链；pn为极对数；R为定子电阻。3)将永磁同步电机和电动汽车的模型，通过传动系统进行连接，建立基于永磁同步电机的电动汽车PMSM-EV的整体模型，得到PMSM-EV的转速力矩关系；其中，n为传动系统的变速比，Tv＝nTLM，ωm＝nωv；4)设计模型预测控制的代价...

【专利技术属性】
技术研发人员：专祥涛，姜涵，黄柯，
申请(专利权)人：武汉大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44