分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的開發(fā)和行駛能耗優(yōu)化分析＊

陳辛波劉浩鐘再敏王心堅(jiān)谷成

（同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心）

分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的開發(fā)和行駛能耗優(yōu)化分析＊

陳辛波劉浩鐘再敏王心堅(jiān)谷成

（同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心）

論述了分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車性能，并以試制的樣車為研究對(duì)象，在四輪轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了行駛特性試驗(yàn)，表明了其百公里加速時(shí)間為12 s以內(nèi)、最高車速在150 km/h以上的優(yōu)越性。為提高整車能量利用率及延長續(xù)駛里程，提出了行駛能耗優(yōu)化方法，并通過仿真對(duì)比分析了多種轉(zhuǎn)矩分配策略下的行駛能耗。結(jié)果表明，所提出的優(yōu)化方法可減少3.41%的能耗，從而提高了整車行駛效率，延長了行駛里程。

1 前言

在諸多電動(dòng)汽車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車在實(shí)現(xiàn)零排放、低污染的同時(shí)，又具有傳動(dòng)鏈短、驅(qū)動(dòng)效率高的特點(diǎn)。其電機(jī)既是信息單元（提供轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信息），同時(shí)又是控制執(zhí)行單元（實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力的快速調(diào)節(jié)），可實(shí)現(xiàn)在傳統(tǒng)汽車上難以實(shí)現(xiàn)的一些高性能控制功能，大大改善電動(dòng)汽車的能源利用率和行駛性能[1，2]。

常見的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一種采用輪轂電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如“UOT Electric March II”和“春暉”系列電動(dòng)汽車等[2，3]，目前對(duì)操縱穩(wěn)定性、行駛安全性以及行駛效率優(yōu)化方法等方面的研究主要針對(duì)此類電動(dòng)汽車[4～8]；另一種為前輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)、后輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車[9]，可綜合利用輪轂電機(jī)和輪邊電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更合理，但目前對(duì)此類電動(dòng)汽車的研究尚少。為此，針對(duì)某分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的開發(fā)、試制和性能試驗(yàn)進(jìn)行了研究，并對(duì)其行駛特性進(jìn)行了分析。

2 一種分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車開發(fā)

在開發(fā)了系列輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上，與某公司合作開發(fā)了一種分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該車前輪采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，后輪采用帶減速器的輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)，整車為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力蓄電池的電電混合驅(qū)動(dòng)模式。整車控制系統(tǒng)（Vehicle Management System，VMS）通過CAN總線向電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）、燃料電池控制系統(tǒng)（Fuel Cell Control System，F(xiàn)CCS）和各電機(jī)控制器發(fā)送控制信號(hào)，并接收電池SOC、電池溫升、電池電壓電流、燃料電池電壓電流、氫氣壓強(qiáng)、電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等反饋信號(hào)。采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢之一在于能夠通過合理的能量管理及轉(zhuǎn)矩分配策略，充分發(fā)揮輪轂電機(jī)和輪邊電機(jī)各自的優(yōu)勢，使其運(yùn)行在工作高效區(qū)，從而提高整車行駛效率。

3 試驗(yàn)樣車試制及性能試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在確定系統(tǒng)各參數(shù)后，選配零部件試制了分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的試驗(yàn)樣車HWA4，樣車HWA4主要參數(shù)見表1，圖2為樣車HWA4及其采用的單擺臂懸架-減速器-輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)控制器等。整車采用獨(dú)立可控的輪轂電機(jī)和輪邊電機(jī)，峰值功率分別為15 kW和25 kW，總功率為80 kW。其中，輪邊高速電機(jī)通過一減速器輸出轉(zhuǎn)矩并驅(qū)動(dòng)車輪。采用21 Ah的電池組和額定功率15 kW的燃料電池堆為能量源，通過DC/DC或DC/AC為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和其它電子器件提供能源。在目前的能量管理策略中，燃料電池起增程器作用，當(dāng)蓄電池SOC降至一定值時(shí)開啟并進(jìn)行充電；當(dāng)SOC上升到設(shè)定值后關(guān)閉燃料電池；當(dāng)系統(tǒng)需求功率較大時(shí)增加燃料電池輸出功率以保證性能。

表1 樣車HWA4基本參數(shù)

樣車試制完成后，在四輪轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了百公里加速和最高車速等性能試驗(yàn)，其中的1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。由圖3可看出，該樣車的百公里加速時(shí)間在12 s以內(nèi)，而最高車速在150 km/h以上，性能較優(yōu)越。

4 整車行駛能耗優(yōu)化方法

在車載能源有限的情況下，汽車行駛效率的高低是決定其續(xù)駛里程的關(guān)鍵因素。為提高整車能量利用率及延長續(xù)駛里程，對(duì)其行駛能耗優(yōu)化方法進(jìn)行了研究。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的總消耗功率P可表示為：式中，Pf為輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)消耗的總功率；Pr為輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)消耗的總功率；U為電機(jī)工作電壓；Ii為輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作電流；Ij為輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作電流，i∈{fl，fr}，j∈{rl，rr}。

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作效率ηi為：

式中，ωi為輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速；Ti為輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩；Pi為輪轂電機(jī)消耗功率。

則輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)消耗的總功率Pf可表示為：式中，Ifl和Ifr分別為左、右輪轂電機(jī)電流；ωfl和ωfr分別為左、右輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速；Tfl和Tfr分別為左、右輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩；ηfl和ηfr分別為左、右輪轂電機(jī)效率。

同理，輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作效率ηj可描述為：

式中，ωj為輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速（減速器輸出軸轉(zhuǎn)速）；Tj為輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩（減速器輸出軸轉(zhuǎn)矩）；Pj為輪邊電機(jī)消耗功率。

與一般的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)汽車不同，樣車HWA4采用輪邊電機(jī)加減速器的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)后輪，所以需考慮減速器的效率特性。因此，輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率為電機(jī)效率與減速器效率的乘積：

式中，ηjm為輪邊電機(jī)效率；ωjm為輪邊電機(jī)轉(zhuǎn)速；Tjm為輪邊電機(jī)轉(zhuǎn)矩；ηjG為減速器效率；ωjG為減速器輸入轉(zhuǎn)速；TjG為減速器輸入轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)式（1）、式（4）和式（5），則輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)消耗的總功率為：

式中，Irl和Irr分別為左、右輪邊電機(jī)電流；ωrl和ωrr分別為左、右輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速；Trl和Trr分別為左、右輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩；ωrlm和ωrrm為左、右輪邊電機(jī)轉(zhuǎn)速；Trlm和Trrm分別為左、右輪邊電機(jī)轉(zhuǎn)矩；ηrlm和ηrrm分別為左、右輪邊電機(jī)效率；ηrlG和ηrrG分別為左、右輪邊減速器效率；ωrlG和ωrrG分別為左、右輪邊減速器轉(zhuǎn)速；TrlG和TrrG分別為左、右輪邊減速器轉(zhuǎn)矩。

電機(jī)的工作效率與其當(dāng)前的工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速有關(guān)，樣車HWA4采用的輪轂電機(jī)效率map圖和輪邊電機(jī)效率map圖的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[10]可知，減速器的工作效率也與當(dāng)前工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速有關(guān)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，樣車HWA4采用的減速器效率特性如圖5所示。

根據(jù)式（1）、式（3）和式（6）可得到整車行駛消耗的功率為：

式中，ωf為輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速；Tf為輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩；ωr為輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速；Tr為輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩；ηf為輪轂電機(jī)效率；ηm為輪邊電機(jī)效率；ηG為減速器效率。

設(shè)T為整車行駛總需求轉(zhuǎn)矩，λ為分配給輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，0≤λ≤1，可得：

因前、后車輪轉(zhuǎn)速相同，所以可得：

根據(jù)式（9）～式（12），則式（8）可轉(zhuǎn)化為：

因此，在已知電機(jī)和減速器效率特性（ηf、ηm和ηG）的基礎(chǔ)上，在閉區(qū)間[0，1]中選擇轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)λ使g（λ）的值最小，便可以使總行駛能耗P′最小。同時(shí)，輪轂電機(jī)和輪邊電機(jī)在工作過程中不能超過其峰值功率，約束條件為:

驅(qū)動(dòng)工況下輪轂電機(jī)和輪邊電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線（峰值）如圖6所示。根據(jù)此轉(zhuǎn)矩分配方法求出λ后，便可根據(jù)汽車行駛需求轉(zhuǎn)矩和電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)輪轂電機(jī)和輪邊電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行合理分配。

5 能耗優(yōu)化方法的驗(yàn)證

為驗(yàn)證能耗優(yōu)化方法對(duì)整車行駛經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化效果，基于樣車HWA4建立了分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車行駛能耗仿真模型，考察車輛模型在電機(jī)轉(zhuǎn)矩平均分配方法、基于載荷分布的轉(zhuǎn)矩分配方法和基于能耗最佳的轉(zhuǎn)矩分配方法等3種策略下的經(jīng)濟(jì)性，包括電機(jī)效率、電機(jī)工作點(diǎn)、減速器效率、工況行駛能耗等指標(biāo)。

3種轉(zhuǎn)矩分配方法為：

a.轉(zhuǎn)矩平均分配方法是指4個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小相同，是較常用的轉(zhuǎn)矩分配方法；

b.基于載荷分布的轉(zhuǎn)矩分配方法是根據(jù)整車的前、后載荷分布情況來確定前、后電機(jī)分配的轉(zhuǎn)矩大小，該樣車的前、后載荷分配為3/8和5/8，因此行駛中分配給輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為總轉(zhuǎn)矩的3/8，而分配給輪邊電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為總轉(zhuǎn)矩的5/8（樣車HWA4在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)中采用此方法）；

c.基于能耗最佳的轉(zhuǎn)矩分配方法則為整車行駛能耗優(yōu)化方法。

根據(jù)式（14）和式（15）及電機(jī)效率、減速器效率等數(shù)據(jù)編程計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)λ如圖8所示。

試驗(yàn)時(shí)采用的行駛工況為EUDC工況，如圖8所示。在不同的轉(zhuǎn)矩分配方法下，行駛一個(gè)循環(huán)工況后得到的整車能耗如圖9所示。相比轉(zhuǎn)矩平均分配方法，基于載荷分布的轉(zhuǎn)矩分配方法能夠減少0.91%的能耗，而基于能耗最佳的轉(zhuǎn)矩分配方法則可減少3.41%的能耗，可見其能夠提高整車行駛效率，延長行駛里程。

6 結(jié)束語

分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車傳動(dòng)鏈短、高效，在提高整車操縱性、安全性及改善能量利用率等方面更具潛力。試制了某分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車樣車，經(jīng)四輪轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)表明，其百公里加速時(shí)間和最高車速等性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。結(jié)合輪轂電機(jī)、輪邊電機(jī)和減速器的動(dòng)態(tài)效率特性，利用所提出的能耗優(yōu)化方法可減少電動(dòng)汽車的能耗，延長續(xù)駛里程。

1Hao Liu，Xinbo Chen，Xinjian Wang.Overview and prospects on distributed drive electric vehicles and its energy saving strategy.Przeglad Elektrotechniczny，07a：122-125，2012.

2Xinbo Chen，Hao Liu，F(xiàn)eng Tang，et al.Research on the drive module of the distributed drive electric vehicle//The 2nd IFToMM Asian Conference on Mechanism and Machine Science，Tokyo，Japan，2012.

3Yoichi Hori.Future vehicle driven by electricity and control researchonfour-wheel-motored“UOTElectricMarchII”，IEEE TransactionsonIndustrialElectronics，Vol.8（5）：954-967，2004.

4He P，Hori Y，Kamachi，et al.Future motion control to be realized by in-wheel motored electric vehicle//The 31st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society，IECON 2005，Raliegh，South Carolina，USA.

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8余卓平，張立軍，熊璐.四驅(qū)電動(dòng)車經(jīng)濟(jì)性改善的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配控制.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，33（10）：1355～1356.

9鐘再敏，陳辛波，王心堅(jiān)，等.一種分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)布置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).中國，201120084385.6，2011.

10盧志堅(jiān).電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)能耗特性的理論分析與仿真研究:[學(xué)位論文].上海：同濟(jì)大學(xué)，2013.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2014年4月27日。

Development and Driving Energy Consumption Optimization of A Distributed Drive Electric Vehicle

Chen Xinbo，Liu Hao，Zhong Zaimin，Wang Xinjian，Gu Cheng
（Clean Energy Vehicle Engineering Centre，Tongji University）

Performance of distributed driving electric vehicle is discussed in the paper，and driving characteristic test is performed to a prototype as research object on four-wheel drum dynamometer，which demonstrates less than 12 seconds of 0～100 km acceleration，maximum vehicle speed of over 150 km/h of the electric vehicle.To improve vehicle energy utilization rate and extend driving range，driving energy optimization method is put forward，which is analyzed under multiple torque distribution strategies by simulation and comparison.The results show that the proposed optimization can reduce energy consumption of 3.41%，thus improve vehicle driving efficiency and extend driving range.

Distributed drive electric vehicle,Driving energy,Optimization

分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車行駛能耗優(yōu)化

U469.72

A

1000-3703（2014）07-0039-05

863計(jì)劃項(xiàng)目-輪邊電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件及其底盤應(yīng)用技術(shù)研究（SS2012AA110701）；973計(jì)劃子課題-輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車電源與電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能耗規(guī)律與能量管理（2011CB711202），面向中美清潔能源合作的電動(dòng)汽車前沿技術(shù)研究項(xiàng)目（2010DFA72760-306）。