新型電傳動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顏南明，張?jiān)ツ?，王和源，胡國慶

(1.裝甲兵工程學(xué)院 控制工程系，北京100072;2.浙江信陽實(shí)業(yè)有限公司，浙江 金華321025)

0 引言

目前，車輛電傳動(dòng)技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，世界各國的汽車廠商和科研院所都在開展電傳動(dòng)車輛的研究和產(chǎn)品開發(fā)，經(jīng)過一百多年的發(fā)展歷史，各種各樣的電傳動(dòng)樣車和產(chǎn)品相繼出現(xiàn)，如電瓶車，電傳動(dòng)轎車，電傳動(dòng)公共汽車、電傳動(dòng)軍用車輛和各種電傳動(dòng)特種車輛等。從采用的傳動(dòng)方案和使用的技術(shù)來看，這些電傳動(dòng)車輛中一部分如電瓶車、工業(yè)搬運(yùn)車輛，為了降低成本，一般以鉛酸蓄電池為唯一動(dòng)力源，采用低壓直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，車輛結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。這種車輛行駛里程短，由于采用直流電機(jī)，車輛需要維護(hù)的工作較多，可靠性也不高。電傳動(dòng)車輛中另一部分車輛如電傳動(dòng)小轎車，公共汽車等，采用內(nèi)燃機(jī)和電池(如燃料電池以及鋰電池等二次電池)為動(dòng)力源，車輛除了可以以電機(jī)驅(qū)動(dòng)外，內(nèi)燃機(jī)還可以以機(jī)械傳動(dòng)的方式為車輛提供動(dòng)力，在這種類型的電傳動(dòng)車輛中，電傳動(dòng)只是一種輔助的方式，其目的是節(jié)能減排，技術(shù)復(fù)雜，成本高。電傳動(dòng)車輛中的軍用車輛，在所有的電傳動(dòng)車輛中技術(shù)最為復(fù)雜，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)也大，其有限的車內(nèi)空間和特殊的車輛性能要求使得電傳動(dòng)技術(shù)在該領(lǐng)域的發(fā)展一波三折。目前國外的電傳動(dòng)軍用車輛向輕型、輪式車輛發(fā)展并采用多輪驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，采用多輪驅(qū)動(dòng)不僅可以提高整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，還能降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。如采用多輪驅(qū)動(dòng)時(shí)可以通過控制工作電機(jī)的個(gè)數(shù)使電機(jī)大部分時(shí)間工作在效率最佳的區(qū)域，采用多輪驅(qū)動(dòng)可以降低電機(jī)的設(shè)計(jì)難度。在國內(nèi)，軍用車輛電傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展剛剛起步，電傳動(dòng)方案幾乎都采用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的雙側(cè)電機(jī)方案和機(jī)電傳動(dòng)方案［1］，在動(dòng)力源上采用內(nèi)燃機(jī)或者內(nèi)燃機(jī)與二次電池的組合。基于該情況，本文提出一種4 ×4混合電傳動(dòng)方案，并對其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文的設(shè)計(jì)是可行的。在實(shí)車的研制中已經(jīng)得到應(yīng)用。

1 混合電傳動(dòng)總體方案

整個(gè)混合電傳動(dòng)方案結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)發(fā)出三相高壓交流電后經(jīng)過功率變換系統(tǒng)，可向車外提供380 V/220 V 交流電和48 V/24 V 直流電，這種多制式電源在戰(zhàn)場的保障作用是非常重要的，可為作戰(zhàn)指揮所提供設(shè)備、照明供電的同時(shí)，還可作為裝甲車輛的應(yīng)急起動(dòng)電源使用。整個(gè)方案的控制系統(tǒng)分為發(fā)動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)組控制器、轉(zhuǎn)向助力電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器和綜合控制器組成，各個(gè)控制器之間通過CAN 總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。在人機(jī)交互方面，整個(gè)控制系統(tǒng)具有三種操控模式，稱之為方向盤駕駛模式，手柄駕駛模式和遙控駕駛模式，駕駛模式通過模式選擇開關(guān)相互切換。方向盤模式符合普通人習(xí)慣，駕駛方便，可平時(shí)使用;在戰(zhàn)時(shí)需要良好機(jī)動(dòng)性如中心轉(zhuǎn)向功能時(shí)可使用手柄操作模式;而在危險(xiǎn)路況如有敵人火力封鎖時(shí)，可使用遙控駕駛模式。各種駕駛模式的具體操作和運(yùn)行情況在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分再做詳細(xì)描述。遙控駕駛模式下，無線通信系統(tǒng)和車輛控制系統(tǒng)通過RS232 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

圖1 混合電傳動(dòng)方案結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Diagram of hybrid drive scheme

2 電傳動(dòng)系統(tǒng)主要部件匹配計(jì)算

電傳動(dòng)系統(tǒng)主要部件匹配計(jì)算是電傳動(dòng)車輛性能的重要保證，也是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提。主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、逆變器、發(fā)動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)組的相關(guān)參數(shù)匹配計(jì)算。在電傳動(dòng)系統(tǒng)中，牽引電機(jī)不但要滿足車輛以最高車速行駛的要求，同時(shí)還必須滿足車輛以最大恒轉(zhuǎn)矩加速、爬坡和轉(zhuǎn)向的要求，因此對電機(jī)進(jìn)行匹配計(jì)算，使得電機(jī)滿足要求且實(shí)現(xiàn)體積、重量最小是匹配計(jì)算的關(guān)鍵。本文以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的匹配計(jì)算為基礎(chǔ)，利用從后往前的遞推計(jì)算，完成整個(gè)傳動(dòng)方案的匹配計(jì)算。表1為本文進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配計(jì)算時(shí)參考車輛的設(shè)計(jì)參數(shù)和性能參數(shù)。

表1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配計(jì)算時(shí)的設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.1 Reference data for matching calaculation of drive motor

針對表1中的要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的匹配計(jì)算主要包括電機(jī)的額定功率、最高轉(zhuǎn)速、最大扭矩、額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩等的匹配計(jì)算。首先進(jìn)行電機(jī)的額定功率計(jì)算［5］，車輛行駛中所需要的功率和能量取決于它的行駛阻力，而車輛穩(wěn)定行駛時(shí)受到的阻力主要包括車輪阻力(FR)、空氣阻力(FW)和坡度阻力(FS).車輪阻力主要與滾動(dòng)阻力系數(shù)有關(guān)，不同路面的滾動(dòng)阻力系數(shù)不同，考慮越野車的行駛環(huán)境，本文滾動(dòng)阻力系數(shù)取0.03.空氣阻力與車速v，空氣密度ρ，迎風(fēng)面積A 有關(guān)，本文實(shí)驗(yàn)車輛速度較低，暫不考慮。電機(jī)持續(xù)輸出的功率

將本文參數(shù)代入(1)式可得電機(jī)功率為6.8 kW.計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力時(shí)需要考慮電機(jī)滿足電傳動(dòng)車輛動(dòng)力因素、最大爬坡度要求，而動(dòng)力因數(shù)的條件最為苛刻，因此筆者僅從動(dòng)力因數(shù)方面來計(jì)算，電機(jī)最大輸出扭矩為

式中:D 為車輛直駛動(dòng)力因素;m 為車輛質(zhì)量;g 為重力加速度;i 為車輛側(cè)傳動(dòng)比;rz為主動(dòng)輪半徑。將m=1 000 kg，i =10.5，rz=330 mm，D =0.7 代入上式可得電機(jī)最大輸出扭矩為215.6 N·m.而要滿足車輛的最大行駛速度要求，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax需要滿足

將vmax=70 km/h，i =10.5，rz=330 mm 代入公式可得nmax≥5 908 r/min。綜上分析，可選擇如下參數(shù)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

表2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)Tab.2 Parameters of drive motor

之所以取電機(jī)額定功率為4 kW，是為了使電機(jī)滿足大扭矩、寬調(diào)速范圍的要求，同時(shí)在負(fù)載較輕的時(shí)候可進(jìn)行車輛的兩驅(qū)行駛，提高單個(gè)電機(jī)的工作效率。計(jì)算了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率后，在此基礎(chǔ)上可選擇發(fā)電機(jī)功率15 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)功率20 kW.

3 電傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)電子差速控制［4］，并通過儀表系統(tǒng)將車輛狀態(tài)顯示出來，其設(shè)計(jì)主要包括助力電機(jī)的控制、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制、發(fā)動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)組的控制以及整車的綜合協(xié)調(diào)控制。在本文提出的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，發(fā)動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)組、轉(zhuǎn)向助力電機(jī)以及四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用獨(dú)立的控制器，它們在綜合控制器的控制下協(xié)調(diào)工作［5］，其工作框圖如圖2所示。

在人機(jī)交互方面，整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)具有方向盤駕駛模式，手柄駕駛模式和遙控駕駛模式三種操控模式，駕駛模式通過開關(guān)相互切換。各種駕駛模式的具體操作和運(yùn)行情況如下。

3.1 方向盤駕駛模式

圖2 混合電傳動(dòng)方案驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Control system construction Diagram of hybrid drive scheme

駕駛員通過方向盤、加速踏板、制動(dòng)踏板和其他開關(guān)信號(hào)來駕駛車輛;在這種駕駛模式下，駕駛員踩下加速踏板時(shí)，車輛加速行駛，在行駛過程中助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)將前左右輪的擺角實(shí)時(shí)反饋到綜合控制器中，綜合控制器通過編程實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)的電子差速運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果控制四輪速度來實(shí)現(xiàn)車輛的平穩(wěn)轉(zhuǎn)向。當(dāng)駕駛員松開加速踏板時(shí)，車輛滑行，此時(shí)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電制動(dòng)強(qiáng)度為零。當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，機(jī)械制動(dòng)和電制動(dòng)一起作用，制動(dòng)踏板被踩得越深，機(jī)械制動(dòng)和電制動(dòng)作用越強(qiáng)。

3.2 手柄駕駛模式

駕駛員通過三軸霍爾手柄和其他開關(guān)信號(hào)來駕駛車輛;在這種駕駛模式下，車輛的制動(dòng)方式與方向盤駕駛模式相同，不同的地方在于車輛的轉(zhuǎn)向控制方式。此種模式下，車輛方向盤鎖在中間位置，即前左右輪的轉(zhuǎn)向擺角均為零，控制系統(tǒng)通過控制左右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的速度實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向，除了正常的車輛轉(zhuǎn)向外，此種模式下還可以實(shí)現(xiàn)車輛的原地轉(zhuǎn)向功能。

3.3 遙控駕駛模式

駕駛員不在車上，通過遙控發(fā)射終端控制車輛的運(yùn)動(dòng)。該駕駛模式下電傳動(dòng)系統(tǒng)的電制動(dòng)作用在車輛減速和制動(dòng)過程中均以最大制動(dòng)能力工作。其運(yùn)動(dòng)情況和手柄駕駛模式相同。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果分析

根據(jù)上面的研究結(jié)果，本文對提出的方案、匹配計(jì)算結(jié)果和設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)。圖3為控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室空載試驗(yàn)情況和試驗(yàn)的實(shí)際樣車，圖4為控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室空載試驗(yàn)左轉(zhuǎn)向、車速10 km/h，轉(zhuǎn)角為0～30°時(shí)對應(yīng)四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的理論轉(zhuǎn)速［2］和實(shí)際轉(zhuǎn)速比較情況，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)際結(jié)果與理論數(shù)值誤差小于2%，控制效果穩(wěn)定，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。造成誤差的原因主要來源于轉(zhuǎn)向角度以及電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量。除了實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證控制系統(tǒng)的差速算法外，利用圖3中的實(shí)際樣車，對控制系統(tǒng)的三種駕駛模式、樣車的加速性能、油耗、爬坡性能、最高車速等性能以及樣車的供電能力也做了相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于前面的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖3 控制系統(tǒng)空載實(shí)驗(yàn)及試驗(yàn)實(shí)車圖Fig.3 Actual picture of control system in no load experment and actual vehicle

5 結(jié)論

1)4 ×4 混合電驅(qū)動(dòng)樣車滿足匹配計(jì)算時(shí)的設(shè)計(jì)要求，0～32 km/h 加速時(shí)間小于4 s，具有良好的機(jī)動(dòng)能力。

2)設(shè)計(jì)的基于CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的多輪電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)不僅具備電子差速功能，且提供多種不同制式的保障電源和三種操控模式，能夠很好的滿足軍用車輛多功能等特殊具有良好的操控性和可靠性，

3)研究成果可為以后的多功能作戰(zhàn)平臺(tái)提供技術(shù)基礎(chǔ)。如在樣車上安裝偵查、打擊等設(shè)備，可將樣車開發(fā)成偵查或直接打擊平臺(tái)。

圖4 電子差速中驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速理論值與實(shí)際值比較結(jié)果Fig.4 Comparison of theoretic and experiment speed of motor in electric differential station

References)

［1］ 顏南明.履帶裝甲車輛電傳動(dòng)技術(shù)初探［J］.兵工學(xué)報(bào)，2004，25(5):619－623.YAN Nan－ming.Research on technology of electric drive of armered tracklayer［J］.Acta Armamentarii，2004，25(5):619－623.(in Chinese)

［2］ 袁儀.電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)彎電子差速的解決方案綜述［J］.上海汽車，2009，36(3):2－5.YUANG Yi.A summarize of solution on the differential problem of EV during turning［J］.Shuanghai Auto，2009，36(3):2－5.(in Chinese)

［3］ 黃偉.采用CVT 的四輪驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力車傳動(dòng)系統(tǒng)控制策略的研究［J］.汽車工程，2008，30(6):501－505.HUANG Wei.A study on driveline control strategy of the fourwheel drive hybrid electric vehicle based on CVT［J］.Automotive Engineering，2008，30(6):501－505.(in Chinese)

［4］ 周云山.汽車電子控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003:234－249.ZHOU Yun－shan.Automobile electronic control technology［M］.Beijing:China Machine Press，2003:234－249.(in Chinese)

［5］ Zhang Y，Xie Y H.Modeling，Control and analysis of mover for an electric transmission system of tracked vehicle［C］∥Military Vehicle Advanced Propulsion System Technology.Pennsylvania:US Army TACOM，2005:1550－1554.