電動(dòng)公交客車雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配及仿真研究*

蔣盛飛　王哲　孫晨樂(lè)　章桐（同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海 201804）

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電動(dòng)公交客車雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配及仿真研究*

蔣盛飛王哲孫晨樂(lè)章桐
（同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海 201804）

【摘要】針對(duì)目前大型電動(dòng)公交客車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計(jì)匹配一種雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。以某城市電動(dòng)公交客車為研究對(duì)象，對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)選型匹配，并基于AVL-Cruise軟件平臺(tái)，搭建整車仿真模型，制定雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩分配控制策略，對(duì)車輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真計(jì)算分析。結(jié)果表明，該雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配合理，使車輛具有良好的動(dòng)力性；該雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可通過(guò)轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配控制策略有效改善車輛的經(jīng)濟(jì)性。

主題詞：電動(dòng)公交客車雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性

1　　前言

電動(dòng)公交客車作為一種新型的公共交通運(yùn)輸工具，具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，是公共交通領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)［1、2］。城市公交客車固定速比的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)很難同時(shí)兼顧車輛低速爬坡時(shí)的大轉(zhuǎn)矩需求以及高速行駛時(shí)的高轉(zhuǎn)速需求，目前的一種解決方案是在電機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間增加變速器，而目前國(guó)內(nèi)變速器技術(shù)仍不成熟，車輛動(dòng)力系統(tǒng)的故障率較高。另外，AMT會(huì)存在換擋沖擊及動(dòng)力中斷問(wèn)題，AT則有效率低的缺陷［4］。

另一種方案是采取2個(gè)大功率的電機(jī)進(jìn)行動(dòng)力耦合來(lái)完成驅(qū)動(dòng)。這種方案的缺點(diǎn)為：兩個(gè)大電機(jī)增加了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本及空間布置難度；在道路擁堵的城市工況下，車輛行駛車速低，功率需求小，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于功率冗余的狀態(tài)，造成浪費(fèi)。同時(shí)也由于低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷狀態(tài)下電機(jī)的效率較低而影響車輛的經(jīng)濟(jì)性。所以，僅僅為滿足少數(shù)極限工況而選取兩個(gè)大功率電機(jī)的方案值得商榷。

但雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)相對(duì)單電機(jī)的明顯優(yōu)勢(shì)在于動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性得到提高，即當(dāng)其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)生故障后，車輛仍可由另一個(gè)電機(jī)完成驅(qū)動(dòng)，故雙電機(jī)方案的安全系數(shù)較高，其對(duì)公共交通車輛尤為重要。因此，本文針對(duì)目前電動(dòng)公交客車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)及不足，研究一種兼顧動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性以及可靠性高的雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)方案。

2　　雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

動(dòng)力耦合方式大體上可分為轉(zhuǎn)速耦合、轉(zhuǎn)矩耦合以及功率耦合3大類。轉(zhuǎn)矩耦合一般采用定軸齒輪式，耦合傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。轉(zhuǎn)速耦合和功率耦合主要采用行星齒輪機(jī)構(gòu)，利用行星齒輪可擁有兩個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)特性，在沒(méi)有無(wú)極變速器的情況下可實(shí)現(xiàn)車輛的無(wú)極變速［5～7］，豐田Prius就是典型的功率分流耦合結(jié)構(gòu)。

針對(duì)電動(dòng)公交客車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種基于行星齒輪變速機(jī)構(gòu)的雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合方案，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。在此耦合系統(tǒng)中，電機(jī)1、2分別布置在行星齒輪兩側(cè)，電機(jī)1的一端與行星架相連，另一端與耦合系統(tǒng)的輸出軸相連，電機(jī)2與太陽(yáng)輪相連，也可通過(guò)離合器2與行星架相連，此時(shí)行星齒輪耦合機(jī)構(gòu)相當(dāng)于一根傳動(dòng)軸，傳動(dòng)比為1，兩個(gè)電機(jī)之間通過(guò)行星齒輪變速機(jī)構(gòu)來(lái)完成動(dòng)力耦合。齒圈通過(guò)離合器1的接合與分離來(lái)改變運(yùn)動(dòng)自由度。耦合機(jī)構(gòu)通過(guò)離合器1、2的接合與分離來(lái)改變傳動(dòng)速比。

行星齒輪各部件之間的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速特性滿足：

式中，k為齒圈和太陽(yáng)輪的齒數(shù)比；nt、Tt分別為太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；nq、Tq分別為齒圈的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；nj、Tj分別為行星架的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

針對(duì)此雙電機(jī)耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出3種工作模式。

a.模式1

車輛在起步加速或低速爬坡時(shí)，離合器1接合，離合器2分離，行星齒輪完成減速增扭，以保證車輛的大扭矩需求，則有

式中，T、n分別為耦合機(jī)構(gòu)輸出軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；T1、n1分別為電機(jī)1的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；T2和n2分別為電機(jī)2的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

b.模式2

當(dāng)電機(jī)2的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，離合器1分離，電機(jī)2轉(zhuǎn)速降低至與電機(jī)1相近時(shí)，離合器2接合，此時(shí)行星齒輪以固定軸式傳動(dòng)，其傳動(dòng)比為1，以確保車輛高速行駛時(shí)電機(jī)2能繼續(xù)提供動(dòng)力輸出，此時(shí)有

c.模式3

車輛低速行駛或定速巡航工況時(shí)，需求功率較小，此時(shí)可采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，離合器1、2都處于分離狀態(tài)，電機(jī)1單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛，電機(jī)2則變成自由狀態(tài)。此時(shí)耦合系統(tǒng)的動(dòng)力輸出為：

3　　雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配針對(duì)給定車型、目標(biāo)工況以及基本控制策略，在保證車輛動(dòng)力性要求的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算［8］。參數(shù)匹配主要包括兩臺(tái)工作電機(jī)的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)以及行星齒輪耦合機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型包括電機(jī)的峰值功率、額定功率、最高轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速、峰值轉(zhuǎn)矩以及額定轉(zhuǎn)矩等參數(shù)［9］。其中，電機(jī)的額定功率原則上要滿足車輛以最高車速行駛時(shí)的功率需求，因此對(duì)于該雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩臺(tái)電機(jī)耦合后的額定輸出功率應(yīng)滿足最高車速行駛時(shí)車輛的需求功率，即

式中，Pe為耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的額定輸出功率；P1e為電機(jī)1的額定輸出功率；P2e為電機(jī)2的額定輸出功率；vmax為最高車速；η為耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)到車輪的效率；m為整車滿載質(zhì)量；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd為空氣阻力系數(shù)；Af為迎風(fēng)面積。

電機(jī)最高轉(zhuǎn)速由車輛最高車速的設(shè)計(jì)指標(biāo)即耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最高輸出轉(zhuǎn)速來(lái)確定，則有

式中，nmax為耦合系統(tǒng)的最高輸出轉(zhuǎn)速；n1max為電機(jī)1的最高輸出轉(zhuǎn)速；n2max為電機(jī)2的最高輸出轉(zhuǎn)速；i0為主減速器傳動(dòng)比；r為車輪滾動(dòng)半徑。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還要滿足車輛低速（10 km∕h）爬坡時(shí)的動(dòng)力需求。對(duì)于該耦合機(jī)構(gòu)，當(dāng)離合器1接合、離合器2分離時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩輸出。

式中，Tmax為耦合系統(tǒng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩；T1max為電機(jī)1的峰值輸出轉(zhuǎn)矩；T2max為電機(jī)2的峰值輸出轉(zhuǎn)矩；α為道路坡度；n2_0為電機(jī)2的基速；v1為爬坡車速。

基于以上理論分析，針對(duì)某款城市公交客車進(jìn)行實(shí)例匹配計(jì)算。目標(biāo)車輛的基本參數(shù)以及相關(guān)動(dòng)力性指標(biāo)如表1所列。

表1　　整車基本參數(shù)與動(dòng)力性能指標(biāo)

由于雙電機(jī)耦合系統(tǒng)中行星齒輪機(jī)構(gòu)的速比參數(shù)k存在一定的可調(diào)范圍，故兩個(gè)電機(jī)的匹配選型可存在多種組合方案。從降低成本及減小控制難度等方面考慮，選擇兩款相同性能的電機(jī)，最終選型結(jié)果如表2所列。

表2　驅(qū)動(dòng)耦合系統(tǒng)選型匹配結(jié)果

4　　車輛動(dòng)力性仿真

為了驗(yàn)證匹配計(jì)算結(jié)果的合理性，根據(jù)所設(shè)計(jì)雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，基于AVL-Cruise仿真平臺(tái)搭建整車仿真模型，如圖2所示。

在整車仿真模型搭建過(guò)程中需要輸入驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能參數(shù)。根據(jù)電機(jī)基本參數(shù)選取某公司一款性能相近的車用永磁同步電機(jī)作為參考樣機(jī)來(lái)進(jìn)行仿真研究，該電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表3所列。

表3　　參考電機(jī)的基本性能參數(shù)

該電機(jī)的試驗(yàn)測(cè)試性能曲線如圖3所示。

由表3及圖3可知，該電機(jī)與前面匹配計(jì)算的電機(jī)性能基本一致，可作為電機(jī)模型進(jìn)行仿真計(jì)算。由此，根據(jù)目標(biāo)車輛設(shè)計(jì)的動(dòng)力性指標(biāo)進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證，主要驗(yàn)證的參數(shù)有最高車速、最大爬坡度以及0-50 km∕h的加速時(shí)間。仿真結(jié)果如圖4～圖7所示。

由圖4可知，所選電機(jī)最高轉(zhuǎn)速滿足車輛最高車速的要求。由圖5可知，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿足車輛最高車速下的動(dòng)力需求。圖6顯示車輛在滿載狀態(tài)下最大爬坡度超過(guò)20%，滿足設(shè)計(jì)要求。由圖7可以看出，車輛滿載下的0-50 km∕h加速時(shí)間較短，車輛具有良好的起步加速性能。由以上仿真結(jié)果可知，雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選型匹配結(jié)果滿足車輛的動(dòng)力性要求。

5　　車輛經(jīng)濟(jì)性仿真

5.1雙電機(jī)耦合系統(tǒng)控制策略

車用電機(jī)性能的優(yōu)劣對(duì)車輛的經(jīng)濟(jì)性有至關(guān)重要的影響。所選電機(jī)為永磁同步電機(jī)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率高的特點(diǎn)。圖8所示為該電機(jī)系統(tǒng)（電機(jī)及其控制器系統(tǒng)）在電動(dòng)狀態(tài)下的效率MAP圖。

從圖8中可以看出，該電機(jī)系統(tǒng)的高效區(qū)（＞90%）集中于中高速工況下，在低速區(qū)以及低負(fù)荷狀態(tài)下系統(tǒng)的工作效率低。由于電機(jī)的負(fù)荷及轉(zhuǎn)速直接受制于車輛的行駛工況，對(duì)于一般的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法避免這些低效區(qū)間。由于采用行星齒輪耦合機(jī)構(gòu)，該雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅具有傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)，而且擁有靈活多變的工作模式，一方面可以使耦合系統(tǒng)發(fā)揮極大的轉(zhuǎn)矩性能，滿足車輛的動(dòng)力性要求，另一方面則可以根據(jù)電機(jī)的效率特性來(lái)制定相應(yīng)的控制策略，從而提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作效率，改善車輛的經(jīng)濟(jì)性。

基于雙電機(jī)耦合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，制定兩種不同的控制策略。

a.策略1：基于單一模式的平均轉(zhuǎn)矩分配控制策略。車輛在行駛時(shí)，雙電機(jī)機(jī)構(gòu)始終以工作模式2來(lái)完成耦合驅(qū)動(dòng)，其中電機(jī)1和電機(jī)2以相同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出動(dòng)力，此時(shí)雙電機(jī)系統(tǒng)可類比為固定速比的單個(gè)大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。

b.策略2：基于多種模式的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配控制策略。車輛起步時(shí)，離合器1接合，離合器2分離，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以工作模式1完成驅(qū)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)2的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值后，離合器1分離，離合器2接合，兩個(gè)電機(jī)以相同轉(zhuǎn)速工作，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)切換至工作模式2。其中，兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配策略如圖9所示。

5.2不同控制策略下的經(jīng)濟(jì)性仿真

針對(duì)上述兩種控制策略，基于中國(guó)典型城市公交工況和日本城市工況對(duì)整車經(jīng)濟(jì)型進(jìn)行仿真計(jì)算，得出相應(yīng)能耗。兩種城市工況如圖10和圖11所示。

基于AVL-Cruise仿真平臺(tái)，完成車輛在不同載荷、不同工況以及不同控制策略下的經(jīng)濟(jì)性仿真。仿真計(jì)算中默認(rèn)關(guān)閉車輛空調(diào)附件等耗能部件，而且耦合系統(tǒng)中電機(jī)均沒(méi)有進(jìn)行回饋制動(dòng)。仿真結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　　兩種控制策略下車輛的百公里能耗

由表4可知，基于多種模式的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配控制策略相對(duì)平均轉(zhuǎn)矩分配控制策略可使車輛的能耗得到有效改善，其節(jié)能率達(dá)到3%。由此可以看出，雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可根據(jù)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定合理的控制策略來(lái)改善車輛的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)也表明，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)比單電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式在經(jīng)濟(jì)性上更具優(yōu)勢(shì)。

6　　結(jié)束語(yǔ)

a.提出雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配計(jì)算方法，并基于某款12 m城市公交客車的原車參數(shù)完成系統(tǒng)的參數(shù)匹配選型，最終選取兩款峰值功率為95 kW的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

b.基于AVL-Cruise軟件搭建系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)整車的動(dòng)力性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配合理，車輛具有良好的動(dòng)力性能。

c.針對(duì)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)提出兩種控制策略，并對(duì)車輛在不同城市工況下的能耗進(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)果表明擁有多種工作模式的雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可有效改善車輛的經(jīng)濟(jì)性，其節(jié)能率達(dá)到3%。

參考文獻(xiàn)

1任保寬，任秀蘋，李曉霞.國(guó)內(nèi)新能源公交車發(fā)展?fàn)顩r及問(wèn)題探析.交通節(jié)能與環(huán)保，2013，04：28～32.

2時(shí)洪功.我國(guó)新能源客車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展路徑.客車技術(shù)與研究，2011（5）：1～4.

3Komori S，Kagiyama T，Utsugi M，et al.Two-dimensional resistivity structure of Unzen Volcano revealed by AMT and MT surveys.Earth，Planets and Space，2013，65（7）：759～766.

4李川.雙電機(jī)混合動(dòng)力客車換擋無(wú)動(dòng)力中斷的研究：［學(xué)位論文］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.

5Zhang X，Li C T，Kum D，et al.Configuration Analysis of Power-Split Hybrid Vehicles With a Single Planetary Gear. IEEE Transactions on Vehicular Technology，2012，61（8）：3544～3552.

6Abdul A，Shafqat M S，Qureshi M A，et al.Performance Analysis of Power Split Hybrid Electric Vehicles Using Autonomie.IEEE Student Conference on Research and Development，2011，144～147.

7Jian L，Xu G，Wu Y，et al.A Novel Power-train Using Coaxial Magnetic Gear For Power-split Hybrid Electric Vehicles. International Conference on Electrical Machines and Systems，2011.

8Wu X，Zhang C，Wang Z，et al.System matching and simulation of dual-motor drive coupling for electric vehicles.International Conference on Consumer Electronics，Communications and Networks，2011：2699～2702.

9周飛鯤.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及整車控制策略研究：［學(xué)位論文］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2015年12月1日。

中圖分類號(hào)：U469.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3703（2016）06-0028-04

*基金項(xiàng)目：上海市科委項(xiàng)目（14DZ1202800）。

Dual-motor Propulsion System Design Match and Simulation Research for Electric City Bus

Jiang Shengfei，Wang Zhe，Sun Chenle，Zhang Tong
（Clean Energy Automotive Engineering Center，Tongji University，Shanghai 201804）

【Abstract】In view of the propulsion system′s shortcomings on the current large electric city bus，a dual-motor propulsion structure is designed and matched.This paper takes a city electric bus as research object to match the parameters for dual-motor propulsion system.Besides，the vehicle′s simulation model and the torque distribution control strategy of propulsion system are built in software platform AVL-Cruise，to simulate and analyze the vehicle′s dynamic property as well as the fuel economy.The results show that the parameter matching of the dual-motor propulsion system are rational，which enables the vehicle with good dynamic property，and it can improve vehicle′s fuel economy by the distribution of torque optimization control strategy.

Key words:Electric bus，Dual-motor propulsion system，Dynamic property，Economy