電動汽車雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)扭矩分配策略研究

0  引言

近年來國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)迎來了蓬勃發(fā)展的機(jī)遇，電動汽車具有的零排放、低能耗、低噪音等特點(diǎn)也逐漸被人們所接受^[1-2]。當(dāng)前市面上的電動汽車主要以單電機(jī)驅(qū)動為主，為了保證整車在各個工況下的動力性及經(jīng)濟(jì)性^[3-5]，單電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)一般選用一個功率較大的電機(jī)，但在城市工況下整車需求的功率較小，導(dǎo)致單電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)始終工作在低效區(qū)^[6-7]，而高速工況下單電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)又因?yàn)楣β什蛔銓?dǎo)致整車動力性不足。

為了解決上述問題，調(diào)節(jié)整車動力性和經(jīng)濟(jì)性對驅(qū)動系統(tǒng)性能需求的矛盾，研究人員們提出了單電機(jī)匹配雙級減速器、雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)等方法^[8-10]，其中雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)合控制策略和算法具有更大的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[11-12]對單電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)匹配雙級減速器的動力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，在保證整車動力性的前提下，有效的提升了驅(qū)動系統(tǒng)的工作效率，降低了整車能耗；文獻(xiàn)[13]基于電機(jī)效率最優(yōu)和電池效率最優(yōu)設(shè)計(jì)了一種前后輪雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配方法，提出了一種多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法同時兼顧電機(jī)和電池的效率，提高了電動汽車的系統(tǒng)效率和續(xù)航里程；文獻(xiàn)[14]提出了一種基于正交試驗(yàn)法的電動汽車雙驅(qū)動動力參數(shù)匹配與優(yōu)化方法，通過對影響因素進(jìn)行敏感度分析和極差分析獲得最優(yōu)方案，可較好的提升整車性能；文獻(xiàn)[15-16]提出了一種雙電機(jī)驅(qū)動電動汽車再生制動模糊控制策略，在保證制動方向穩(wěn)定的前提下，結(jié)合雙電機(jī)特性，合理分配前后軸制動力，協(xié)調(diào)機(jī)電復(fù)合制動力，提高能量回收率，有效延長了整車的續(xù)駛里程。

然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)中大多針對雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行的研究，并未考慮不同類型的電機(jī)對雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能影響。特別是在雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，當(dāng)一個電機(jī)工作時，因電機(jī)與減速器之間無離合器，不工作的電機(jī)處于被拖動狀態(tài)，此時就需要結(jié)合電機(jī)的空載損耗同步分析。鑒于此，本文基于永磁同步電機(jī)和異步感應(yīng)電機(jī)兩種當(dāng)前主流的電動汽車驅(qū)動電機(jī)，研究了不同驅(qū)動電機(jī)類型在雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的組合應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上基于總體效率最優(yōu)設(shè)計(jì)了一種分布式雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)了整車各個工況下系統(tǒng)效率的提升，增加了整車的續(xù)航里程。

圖1 雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

1  數(shù)學(xué)模型建立

本文設(shè)計(jì)的雙電機(jī)驅(qū)動電動汽車采用前后軸分布式獨(dú)立驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要由相互獨(dú)立的前驅(qū)系統(tǒng)和后驅(qū)系統(tǒng)組成。前驅(qū)系統(tǒng)包含減速器、小功率的前驅(qū)動電機(jī)、前電機(jī)控制器（Motor Controller Unit，MCU）構(gòu)成，后驅(qū)系統(tǒng)與前驅(qū)一樣，但驅(qū)動電機(jī)選用一款大功率的電機(jī)作為主驅(qū)電機(jī)。前后兩個MCU和電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）通過CAN總線與整車控制器（Vehicle Controller Unit，VCU）連接。

雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)工作時可分為三種基本工況，分別為前驅(qū)電機(jī)單獨(dú)工作、后驅(qū)電機(jī)單獨(dú)工作、前后驅(qū)電機(jī)同時耦合工作。本文主要分析雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的效率，不考慮減速器、傳動軸等機(jī)械傳動損耗，故雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的整體效率可表示為：

     （1）

式中，P₂表示為雙電機(jī)的總輸出功率，即整車總需求功率；P₁表示為雙電機(jī)的總輸入功率。雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)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(qū)電機(jī)輸出功率；P_r表示后驅(qū)電機(jī)輸出功率；n_f表示前驅(qū)電機(jī)效率；n_r表示后驅(qū)電機(jī)效率；P_ro表示后驅(qū)電機(jī)空載損耗；P_fo表示前驅(qū)電機(jī)空載損耗。

根據(jù)電機(jī)功率與轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的關(guān)系式，式（2）、式（3）可轉(zhuǎn)化為：

（4）

（5）

式中，n_t表示前驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)速；n_r表示后驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)速；表示扭矩分配系數(shù)，即后驅(qū)電機(jī)分配轉(zhuǎn)矩占總需求扭矩的比例。

因前、后驅(qū)電機(jī)匹配的減速器速比不同，為了減少變量，前、后驅(qū)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以統(tǒng)一采用整車車速表示：

   （6）

式中，V表示整車的車速；r_r表示整車輪胎的滾動半徑；i表示減速器的減速比。

基于雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)原則，雙驅(qū)系統(tǒng)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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)

本文基于當(dāng)前市場上主流的永磁同步電機(jī)和異步感應(yīng)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，前驅(qū)系統(tǒng)采用小功率電機(jī)，后驅(qū)系統(tǒng)采用大功率電機(jī)，分別各選取一款永磁同步電機(jī)和異步感應(yīng)電機(jī)，電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1所示，電機(jī)的效率MAP如圖2所示，其中電機(jī)的效率指電機(jī)和其匹配的電機(jī)控制器的系統(tǒng)效率。

表1 驅(qū)動電機(jī)性能參數(shù)

（a）前驅(qū)永磁同步電機(jī)    

（b）前驅(qū)異步感應(yīng)電機(jī)

（c）后驅(qū)永磁同步電機(jī)

（d）后驅(qū)異步感應(yīng)電機(jī)

圖2 驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)效率MAP

雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，為保證效率最優(yōu)，存在較多的單電機(jī)運(yùn)行工況，因驅(qū)動系統(tǒng)與傳動軸之間無離合器，此時不工作的電機(jī)仍處于被動拖動旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，這就需要考慮電機(jī)在空載時的損耗。異步感應(yīng)電機(jī)的空載損耗與轉(zhuǎn)速無關(guān)，是一個恒定值，本文前驅(qū)系統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)的空載損耗為0.056kW，后驅(qū)系統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)的空載損耗為0.08kW。永磁同步電機(jī)的空載損耗與轉(zhuǎn)速成正比，其空載損耗隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大，具體見圖3所示。

圖3 永磁同步電機(jī)空載損耗

本文設(shè)計(jì)的雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)搭載在一款SUV車型進(jìn)行分析。前驅(qū)小功率電機(jī)轉(zhuǎn)速低，匹配一款減速比較小的單級減速器，后驅(qū)大功率電機(jī)轉(zhuǎn)速高，匹配一款減速比較大的單級減速器，保證整車滿足最高車速的要求，具體相關(guān)的整車參數(shù)見表2所示。

表2 整車參數(shù)

3  基于效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩分配策略仿真

根據(jù)前文建立的數(shù)學(xué)模型，利用驅(qū)動系統(tǒng)的效率MAP，對整車不同車速、不同扭矩負(fù)荷下的扭矩分配系數(shù)和效率進(jìn)行最優(yōu)求解，可以得到整車全工況范圍內(nèi)的基于效率最優(yōu)的扭矩分配策略^[17]。同時對不同類型的前、后驅(qū)動電機(jī)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(qū)永磁、后驅(qū)永磁

前驅(qū)采用小功率永磁同步電機(jī)、后驅(qū)采用大功率永磁同步電機(jī)，通過仿真計(jì)算，得到的整車全工況范圍內(nèi)的最優(yōu)扭矩分配系數(shù)如圖4所示。根據(jù)仿真結(jié)果，后驅(qū)大功率電機(jī)作為主驅(qū)動電機(jī)，前驅(qū)小功率電機(jī)作為補(bǔ)充。整車全工況范圍最優(yōu)扭矩分配系數(shù)平均值為0.7，即后驅(qū)系統(tǒng)平均扭矩輸出占比在整車全工況范圍內(nèi)達(dá)到70%。整車全車速段可用扭矩范圍內(nèi)的最優(yōu)效率如圖5所示，最優(yōu)平均效率為88.8%。

圖4 整車最優(yōu)扭矩分配系數(shù)

圖5 整車最優(yōu)效率MAP

3.2  前驅(qū)永磁、后驅(qū)感應(yīng)

前驅(qū)采用小功率永磁同步電機(jī)、后驅(qū)采用大功率異步感應(yīng)電機(jī)，通過仿真計(jì)算，得到的整車全工況范圍內(nèi)的最優(yōu)扭矩分配系數(shù)如圖6所示。因感應(yīng)電機(jī)的特性決定其整體效率低于永磁電機(jī)，根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)整車需求扭矩較小時（100N·m以內(nèi)），主要由前驅(qū)永磁電機(jī)單獨(dú)工作，扭矩需求較大時，仍以前驅(qū)永磁電機(jī)輸出為主，后驅(qū)感應(yīng)電機(jī)作為補(bǔ)充。整車全工況范圍最優(yōu)扭矩分配系數(shù)平均值僅為0.35，即后驅(qū)感應(yīng)電機(jī)平均扭矩輸出占比僅為35%。整車全車速段可用扭矩范圍內(nèi)的最優(yōu)效率如圖7所示，最優(yōu)平均效率為86.9%。

圖6 整車最優(yōu)扭矩分配系數(shù)

圖7 整車最優(yōu)效率MAP

3.3  前驅(qū)感應(yīng)、后驅(qū)永磁

前驅(qū)采用小功率異步感應(yīng)電機(jī)、后驅(qū)采用大功率永磁同步電機(jī)，通過仿真計(jì)算，得到的整車全工況范圍內(nèi)的最優(yōu)扭矩分配系數(shù)如圖8所示。根據(jù)仿真結(jié)果，整車全工況范圍最優(yōu)扭矩分配系數(shù)平均值為0.86，后驅(qū)系統(tǒng)永磁電機(jī)平均扭矩輸出占比在整車全工況范圍內(nèi)高達(dá)86%，受限于感應(yīng)電機(jī)整體效率偏低，僅少部分大扭矩工況后驅(qū)永磁電機(jī)扭矩不足時由前驅(qū)補(bǔ)充。整車全車速段可用扭矩范圍內(nèi)的最優(yōu)效率如圖9所示，最優(yōu)平均效率為88.5%。

圖8 整車最優(yōu)扭矩分配系數(shù)

圖9 整車最優(yōu)效率MAP

3.4  前驅(qū)感應(yīng)、后驅(qū)感應(yīng)

前驅(qū)采用小功率異步感應(yīng)電機(jī)、后驅(qū)采用大功率異步感應(yīng)電機(jī)，通過仿真計(jì)算，得到的整車全工況范圍內(nèi)的最優(yōu)扭矩分配系數(shù)如圖10所示。根據(jù)仿真結(jié)果，整車全工況范圍最優(yōu)扭矩分配系數(shù)平均值為0.52，前、后驅(qū)系統(tǒng)平均扭矩輸出各占一半。整車全車速段可用扭矩范圍內(nèi)的最優(yōu)效率如圖11所示，最優(yōu)平均效率為84.5%。

圖10 整車最優(yōu)扭矩分配系數(shù)

圖11 整車最優(yōu)效率MAP

根據(jù)四種前、后驅(qū)電機(jī)組合方案仿真分析結(jié)果，前后雙永磁電機(jī)和前驅(qū)感應(yīng)后驅(qū)永磁兩個方案整體效率最優(yōu)，兩個方案均采用后驅(qū)大功率永磁電機(jī)作為主驅(qū)動電機(jī)，充分利用永磁電機(jī)效率高的優(yōu)勢。前驅(qū)永磁后驅(qū)感應(yīng)方案，通過前后扭矩分配策略的調(diào)整，使前驅(qū)永磁電機(jī)作為主驅(qū)電機(jī)，能夠彌補(bǔ)一部分因感應(yīng)電機(jī)效率偏低帶來的能耗損失。雙感應(yīng)電機(jī)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?yán)m(xù)航測試標(biāo)準(zhǔn)，我國的電動汽車綜合續(xù)航里程測試也采用了NEDC測試標(biāo)準(zhǔn)。圖12所示為一個NEDC循環(huán)工況，其由4個市區(qū)循環(huán)和1個郊區(qū)循環(huán)組成。圖13所示為改款車型NEDC工況下全車速范圍內(nèi)的扭矩需求，可見NEDC工況下對扭矩的需求比較低，全車速段低于90N·m。

圖14所示為四種前后驅(qū)系統(tǒng)電機(jī)組合方案NEDC工況下對應(yīng)的效率分布，前驅(qū)永磁后驅(qū)永磁、前驅(qū)永磁后驅(qū)感應(yīng)、前驅(qū)感應(yīng)后驅(qū)永磁、前驅(qū)感應(yīng)后驅(qū)感應(yīng)四個方案對應(yīng)的NEDC工況下的電機(jī)平均效率分別為85.7%、89%、87.9%、83.4%。因NEDC工況下對整車的扭矩需求較小，前驅(qū)小功率永磁電機(jī)匹配后驅(qū)大功率感應(yīng)電機(jī)方案，采用小功率永磁電機(jī)作為主驅(qū)，充分利用永磁電機(jī)的高效區(qū)，同時感應(yīng)電機(jī)具有空載損耗低的特點(diǎn)，其NEDC工況下的綜合效率最高。雙感應(yīng)電機(jī)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(jié)論

本文首先對雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的構(gòu)型進(jìn)行了簡單的介紹并建立了雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)扭矩分配策略的數(shù)學(xué)模型。在考慮空載損耗的基礎(chǔ)上基于總體效率最優(yōu)的原則仿真分析了當(dāng)前市場主流的兩種不同類型驅(qū)動電機(jī)在雙驅(qū)系統(tǒng)中的組合應(yīng)用，得到每個方案對應(yīng)的最優(yōu)扭矩分配系數(shù)及最優(yōu)效率。最終，根據(jù)整車NEDC工況特性，分析了每個方案在NEDC工況下的效率表現(xiàn)。根據(jù)上述分析，得出如下結(jié)論，為雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型提供了一定的參考價值。

1) 雙驅(qū)系統(tǒng)采用一個大功率永磁同步電機(jī)作為主驅(qū)時，匹配小功率永磁同步電機(jī)和異步感應(yīng)電機(jī)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%時整車全工況范圍內(nèi)平均效率可達(dá)到88.5%以上；

2) NEDC工況下整車對扭矩的需求較低，采用一個小功率永磁同步電機(jī)作為主驅(qū)、大功率異步感應(yīng)電機(jī)作為補(bǔ)充時，NEDC工況下的效率最優(yōu)。本文方案中的NEDC平均效率可達(dá)到89%。

3) 由于異步感應(yīng)電機(jī)效率整體偏低，由雙異步感應(yīng)電機(jī)組成的雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)各工況下的效率均低于有永磁同步電機(jī)參與的雙驅(qū)系統(tǒng)。

圖14  NEDC工況電機(jī)效率分布

參考文獻(xiàn)：

[1] 張晨曦,文福拴,薛禹勝,等. 電動汽車發(fā)展的社會綜合效益分析 [J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014,41(3):55-63.

[2] 姚學(xué)松,沙文瀚,杭孟荀,等. NEDC工況下電動汽車雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)能耗分析 [J]. 寧夏工程技術(shù), 2018,17 (3):235-238.

[3] HU M, ZENG J, XU S, et al. Efficiency study of a dual-motor coupling EV powertrain [J]. IEEE Transactio- ns on Vehicular Technology, 2015,64(6):2252 -2260.

[4] HU J, ZHENG L, JIA M, et al. Optimization and model validation of operation control strategies for a novel dual-motor coupling-propulsion pure electric vehicle [J]. Energies, 2018,11(4):754.

[5] 林歆悠,伍家鋆，魏申申. 雙電機(jī)耦合驅(qū)動電動汽車驅(qū)動模式劃分與優(yōu)化 [J]. 汽車工程, 2020,42(4):424- 430.

[6] 宋振斌,李軍偉,孫亮,等. 雙電機(jī)電動汽車驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配策略研究 [J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2019, 44(2):316-324.

[7] MUTOH N, KATO T, MURAKAMI K. Front-and- rear-wheel-independent-drive-type electric vehicle (FRID EV) taking the lead for next generation eco-vehicles [J]. Electric Vehicles, 2011.

[8] 杜常清,鄧茹月. 輕型純電動客車傳動系數(shù)匹配與仿真 [J]. 機(jī)械傳動, 2018,42(4):62-66.

[9] 胡政. 雙電機(jī)構(gòu)型電動汽車的能量管理策略研究 [D]. 北京：北京工業(yè)大學(xué), 2018.

[10] ZHANG S, XIONG R, ZHANG C，et al. An optimal structure selection and parameter design approach for a dual-motor-driven system used in an electric bus [J]. Energy, 2016,96(1):437-448.

[11] 徐明明,陳士剛. 單級、雙級減速器對NEDC效率影響分析 [J]. 寧夏工程技術(shù), 2019,18(4):350-352.

[12] 陳士剛. 一種純電動汽車提升NEDC效率的驅(qū)動系統(tǒng)分析 [J]. 電子產(chǎn)品世界, 2019,26(6):61-65.

[13] 漆星,王群京,陳龍,等. 前后軸雙電機(jī)電動汽車轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化策略 [J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2020,24(3):62- 70.

[14] 崔偉,熊會元,于麗敏. 雙驅(qū)動電動汽車動力參數(shù)匹配與優(yōu)化方法 [J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2016,(11):9-13.

[15] 嚴(yán)運(yùn)兵,章健宇,許小偉,等. 雙電機(jī)驅(qū)動電動汽車再生制動控制策略研究 [J]. 汽車技術(shù), 2019,(6):1-7.

[16] 潘公宇,施雁云. 四驅(qū)電動汽車再生制動控制策略研究 [J]. 汽車技術(shù), 2020,(2):6-11.

[17] 肖小城,王春麗,孔令靜,等. 雙電機(jī)電動汽車扭矩分配的動態(tài)控制策略 [J]. 汽車科技, 2019,(3):17-21.

（注：本文刊登于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年11期）