電動(dòng)汽車(chē)雙電機驅動(dòng)系統扭矩分配策略研究

0  引言

近年來(lái)國內新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了蓬勃發(fā)展的機遇，電動(dòng)汽車(chē)具有的零排放、低能耗、低噪音等特點(diǎn)也逐漸被人們所接受^[1-2]。當前市面上的電動(dòng)汽車(chē)主要以單電機驅動(dòng)為主，為了保證整車(chē)在各個(gè)工況下的動(dòng)力性及經(jīng)濟性^[3-5]，單電機驅動(dòng)系統一般選用一個(gè)功率較大的電機，但在城市工況下整車(chē)需求的功率較小，導致單電機驅動(dòng)系統始終工作在低效區^[6-7]，而高速工況下單電機驅動(dòng)系統又因為功率不足導致整車(chē)動(dòng)力性不足。

為了解決上述問(wèn)題，調節整車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟性對驅動(dòng)系統性能需求的矛盾，研究人員們提出了單電機匹配雙級減速器、雙電機驅動(dòng)系統等方法^[8-10]，其中雙電機驅動(dòng)系統結合控制策略和算法具有更大的優(yōu)勢。文獻[11-12]對單電機驅動(dòng)系統匹配雙級減速器的動(dòng)力性和經(jīng)濟性進(jìn)行了分析，在保證整車(chē)動(dòng)力性的前提下，有效的提升了驅動(dòng)系統的工作效率，降低了整車(chē)能耗；文獻[13]基于電機效率最優(yōu)和電池效率最優(yōu)設計了一種前后輪雙電機轉矩分配方法，提出了一種多目標粒子群優(yōu)化算法同時(shí)兼顧電機和電池的效率，提高了電動(dòng)汽車(chē)的系統效率和續航里程；文獻[14]提出了一種基于正交試驗法的電動(dòng)汽車(chē)雙驅動(dòng)動(dòng)力參數匹配與優(yōu)化方法，通過(guò)對影響因素進(jìn)行敏感度分析和極差分析獲得最優(yōu)方案，可較好的提升整車(chē)性能；文獻[15-16]提出了一種雙電機驅動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)模糊控制策略，在保證制動(dòng)方向穩定的前提下，結合雙電機特性，合理分配前后軸制動(dòng)力，協(xié)調機電復合制動(dòng)力，提高能量回收率，有效延長(cháng)了整車(chē)的續駛里程。

然而，現有文獻中大多針對雙電機驅動(dòng)系統的控制策略進(jìn)行的研究，并未考慮不同類(lèi)型的電機對雙電機驅動(dòng)系統的性能影響。特別是在雙電機驅動(dòng)系統中，當一個(gè)電機工作時(shí)，因電機與減速器之間無(wú)離合器，不工作的電機處于被拖動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)就需要結合電機的空載損耗同步分析。鑒于此，本文基于永磁同步電機和異步感應電機兩種當前主流的電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)電機，研究了不同驅動(dòng)電機類(lèi)型在雙電機驅動(dòng)系統中的組合應用，在此基礎上基于總體效率最優(yōu)設計了一種分布式雙電機驅動(dòng)系統方案，實(shí)現了整車(chē)各個(gè)工況下系統效率的提升，增加了整車(chē)的續航里程。

圖1 雙電機驅動(dòng)系統結構模型

1  數學(xué)模型建立

本文設計的雙電機驅動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)采用前后軸分布式獨立驅動(dòng)，其結構模型如圖1所示。雙電機驅動(dòng)系統主要由相互獨立的前驅系統和后驅系統組成。前驅系統包含減速器、小功率的前驅動(dòng)電機、前電機控制器（Motor Controller Unit，MCU）構成，后驅系統與前驅一樣，但驅動(dòng)電機選用一款大功率的電機作為主驅電機。前后兩個(gè)MCU和電池管理系統（Battery Management System，BMS）通過(guò)CAN總線(xiàn)與整車(chē)控制器（Vehicle Controller Unit，VCU）連接。

雙電機驅動(dòng)系統工作時(shí)可分為三種基本工況，分別為前驅電機單獨工作、后驅電機單獨工作、前后驅電機同時(shí)耦合工作。本文主要分析雙電機驅動(dòng)系統的效率，不考慮減速器、傳動(dòng)軸等機械傳動(dòng)損耗，故雙電機驅動(dòng)系統的整體效率可表示為：

     （1）

式中，P₂表示為雙電機的總輸出功率，即整車(chē)總需求功率；P₁表示為雙電機的總輸入功率。雙電機驅動(dòng)系統的總輸出功率P₂和總輸入功率P₁可分別表示為：

   （2）

   （3）

式中，P_t表示前驅電機輸出功率；P_r表示后驅電機輸出功率；n_f表示前驅電機效率；n_r表示后驅電機效率；P_ro表示后驅電機空載損耗；P_fo表示前驅電機空載損耗。

根據電機功率與轉矩、轉速的關(guān)系式，式（2）、式（3）可轉化為：

（4）

（5）

式中，n_t表示前驅電機轉速；n_r表示后驅電機轉速；表示扭矩分配系數，即后驅電機分配轉矩占總需求扭矩的比例。

因前、后驅電機匹配的減速器速比不同，為了減少變量，前、后驅電機的轉速可以統一采用整車(chē)車(chē)速表示：

   （6）

式中，V表示整車(chē)的車(chē)速；r_r表示整車(chē)輪胎的滾動(dòng)半徑；i表示減速器的減速比。

基于雙電機驅動(dòng)系統效率最優(yōu)原則，雙驅系統的最優(yōu)效率可表示為：

   （7）

式中，i_f表示前減速器速比；i_r表示后減速器速比。  

2    雙電機驅動(dòng)系統參數

本文基于當前市場(chǎng)上主流的永磁同步電機和異步感應電機作為驅動(dòng)電機，前驅系統采用小功率電機，后驅系統采用大功率電機，分別各選取一款永磁同步電機和異步感應電機，電機的相關(guān)參數如表1所示，電機的效率MAP如圖2所示，其中電機的效率指電機和其匹配的電機控制器的系統效率。

表1 驅動(dòng)電機性能參數

（a）前驅永磁同步電機    

（b）前驅異步感應電機

（c）后驅永磁同步電機

（d）后驅異步感應電機

圖2 驅動(dòng)電機系統效率MAP

雙電機驅動(dòng)系統中，為保證效率最優(yōu)，存在較多的單電機運行工況，因驅動(dòng)系統與傳動(dòng)軸之間無(wú)離合器，此時(shí)不工作的電機仍處于被動(dòng)拖動(dòng)旋轉狀態(tài)，這就需要考慮電機在空載時(shí)的損耗。異步感應電機的空載損耗與轉速無(wú)關(guān)，是一個(gè)恒定值，本文前驅系統感應電機的空載損耗為0.056kW，后驅系統感應電機的空載損耗為0.08kW。永磁同步電機的空載損耗與轉速成正比，其空載損耗隨著(zhù)轉速的升高而增大，具體見(jiàn)圖3所示。

圖3 永磁同步電機空載損耗

本文設計的雙電機驅動(dòng)系統搭載在一款SUV車(chē)型進(jìn)行分析。前驅小功率電機轉速低，匹配一款減速比較小的單級減速器，后驅大功率電機轉速高，匹配一款減速比較大的單級減速器，保證整車(chē)滿(mǎn)足最高車(chē)速的要求，具體相關(guān)的整車(chē)參數見(jiàn)表2所示。

表2 整車(chē)參數

3  基于效率最優(yōu)的轉矩分配策略仿真

根據前文建立的數學(xué)模型，利用驅動(dòng)系統的效率MAP，對整車(chē)不同車(chē)速、不同扭矩負荷下的扭矩分配系數和效率進(jìn)行最優(yōu)求解，可以得到整車(chē)全工況范圍內的基于效率最優(yōu)的扭矩分配策略^[17]。同時(shí)對不同類(lèi)型的前、后驅動(dòng)電機交叉組合進(jìn)行分析，進(jìn)一步求出最優(yōu)組合方案。

3.1  前驅永磁、后驅永磁

前驅采用小功率永磁同步電機、后驅采用大功率永磁同步電機，通過(guò)仿真計算，得到的整車(chē)全工況范圍內的最優(yōu)扭矩分配系數如圖4所示。根據仿真結果，后驅大功率電機作為主驅動(dòng)電機，前驅小功率電機作為補充。整車(chē)全工況范圍最優(yōu)扭矩分配系數平均值為0.7，即后驅系統平均扭矩輸出占比在整車(chē)全工況范圍內達到70%。整車(chē)全車(chē)速段可用扭矩范圍內的最優(yōu)效率如圖5所示，最優(yōu)平均效率為88.8%。

圖4 整車(chē)最優(yōu)扭矩分配系數

圖5 整車(chē)最優(yōu)效率MAP

3.2  前驅永磁、后驅感應

前驅采用小功率永磁同步電機、后驅采用大功率異步感應電機，通過(guò)仿真計算，得到的整車(chē)全工況范圍內的最優(yōu)扭矩分配系數如圖6所示。因感應電機的特性決定其整體效率低于永磁電機，根據仿真結果，當整車(chē)需求扭矩較小時(shí)（100N·m以?xún)龋?，主要由前驅永磁電機單獨工作，扭矩需求較大時(shí)，仍以前驅永磁電機輸出為主，后驅感應電機作為補充。整車(chē)全工況范圍最優(yōu)扭矩分配系數平均值僅為0.35，即后驅感應電機平均扭矩輸出占比僅為35%。整車(chē)全車(chē)速段可用扭矩范圍內的最優(yōu)效率如圖7所示，最優(yōu)平均效率為86.9%。

圖6 整車(chē)最優(yōu)扭矩分配系數

圖7 整車(chē)最優(yōu)效率MAP

3.3  前驅感應、后驅永磁

前驅采用小功率異步感應電機、后驅采用大功率永磁同步電機，通過(guò)仿真計算，得到的整車(chē)全工況范圍內的最優(yōu)扭矩分配系數如圖8所示。根據仿真結果，整車(chē)全工況范圍最優(yōu)扭矩分配系數平均值為0.86，后驅系統永磁電機平均扭矩輸出占比在整車(chē)全工況范圍內高達86%，受限于感應電機整體效率偏低，僅少部分大扭矩工況后驅永磁電機扭矩不足時(shí)由前驅補充。整車(chē)全車(chē)速段可用扭矩范圍內的最優(yōu)效率如圖9所示，最優(yōu)平均效率為88.5%。

圖8 整車(chē)最優(yōu)扭矩分配系數

圖9 整車(chē)最優(yōu)效率MAP

3.4  前驅感應、后驅感應

前驅采用小功率異步感應電機、后驅采用大功率異步感應電機，通過(guò)仿真計算，得到的整車(chē)全工況范圍內的最優(yōu)扭矩分配系數如圖10所示。根據仿真結果，整車(chē)全工況范圍最優(yōu)扭矩分配系數平均值為0.52，前、后驅系統平均扭矩輸出各占一半。整車(chē)全車(chē)速段可用扭矩范圍內的最優(yōu)效率如圖11所示，最優(yōu)平均效率為84.5%。

圖10 整車(chē)最優(yōu)扭矩分配系數

圖11 整車(chē)最優(yōu)效率MAP

根據四種前、后驅電機組合方案仿真分析結果，前后雙永磁電機和前驅感應后驅永磁兩個(gè)方案整體效率最優(yōu)，兩個(gè)方案均采用后驅大功率永磁電機作為主驅動(dòng)電機，充分利用永磁電機效率高的優(yōu)勢。前驅永磁后驅感應方案，通過(guò)前后扭矩分配策略的調整，使前驅永磁電機作為主驅電機，能夠彌補一部分因感應電機效率偏低帶來(lái)的能耗損失。雙感應電機整體效率偏低，不具備優(yōu)勢。

圖12  NEDC循環(huán)工況

4  NEDC工況性能分析

NEDC（New Europe Driving Cycle）工況是歐洲的汽車(chē)續航測試標準，我國的電動(dòng)汽車(chē)綜合續航里程測試也采用了NEDC測試標準。圖12所示為一個(gè)NEDC循環(huán)工況，其由4個(gè)市區循環(huán)和1個(gè)郊區循環(huán)組成。圖13所示為改款車(chē)型NEDC工況下全車(chē)速范圍內的扭矩需求，可見(jiàn)NEDC工況下對扭矩的需求比較低，全車(chē)速段低于90N·m。

圖14所示為四種前后驅系統電機組合方案NEDC工況下對應的效率分布，前驅永磁后驅永磁、前驅永磁后驅感應、前驅感應后驅永磁、前驅感應后驅感應四個(gè)方案對應的NEDC工況下的電機平均效率分別為85.7%、89%、87.9%、83.4%。因NEDC工況下對整車(chē)的扭矩需求較小，前驅小功率永磁電機匹配后驅大功率感應電機方案，采用小功率永磁電機作為主驅?zhuān)浞掷糜来烹姍C的高效區，同時(shí)感應電機具有空載損耗低的特點(diǎn)，其N(xiāo)EDC工況下的綜合效率最高。雙感應電機的方案因整體效率偏低仍不具備優(yōu)勢。

圖13  NEDC工況下需求扭矩分布

5  結論

本文首先對雙電機驅動(dòng)系統的構型進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹并建立了雙電機驅動(dòng)系統扭矩分配策略的數學(xué)模型。在考慮空載損耗的基礎上基于總體效率最優(yōu)的原則仿真分析了當前市場(chǎng)主流的兩種不同類(lèi)型驅動(dòng)電機在雙驅系統中的組合應用，得到每個(gè)方案對應的最優(yōu)扭矩分配系數及最優(yōu)效率。最終，根據整車(chē)NEDC工況特性，分析了每個(gè)方案在NEDC工況下的效率表現。根據上述分析，得出如下結論，為雙電機驅動(dòng)系統的設計選型提供了一定的參考價(jià)值。

1) 雙驅系統采用一個(gè)大功率永磁同步電機作為主驅時(shí)，匹配小功率永磁同步電機和異步感應電機均可獲得較好的效率。本文方案中大功率永磁同步扭矩輸出占比分別為70%、86%時(shí)整車(chē)全工況范圍內平均效率可達到88.5%以上；

2) NEDC工況下整車(chē)對扭矩的需求較低，采用一個(gè)小功率永磁同步電機作為主驅、大功率異步感應電機作為補充時(shí)，NEDC工況下的效率最優(yōu)。本文方案中的NEDC平均效率可達到89%。

3) 由于異步感應電機效率整體偏低，由雙異步感應電機組成的雙電機驅動(dòng)系統各工況下的效率均低于有永磁同步電機參與的雙驅系統。

圖14  NEDC工況電機效率分布

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（注：本文刊登于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年11期）