純電動汽車雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)的模式切換研究

王 碩,郭興眾,高文根,孫駟洲

(安徽工程大學安徽省檢測技術(shù)與節(jié)能裝置重點實驗室,安徽蕪湖 241000)

?

純電動汽車雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)的模式切換研究

王 碩,郭興眾?,高文根,孫駟洲

(安徽工程大學安徽省檢測技術(shù)與節(jié)能裝置重點實驗室,安徽蕪湖 241000)

摘要:對采用雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)的純電動汽車的工作模式進行研究．根據(jù)行星耦合驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性與工作原理,將其工作模式分為低速單電機模式和高速雙電機耦合模式等．在滿足車輛性能要求的前提下,通過對雙電機采用單電機驅(qū)動或雙電機耦合驅(qū)動進行合理、高效地控制,可以提高驅(qū)動系統(tǒng)效率．基于單電機驅(qū)動模式時車輛的最高車速,控制行星耦合裝置中制動器的鎖止與松開,實現(xiàn)從單電機驅(qū)動模式切換至雙電機耦合驅(qū)動模式的控制．在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建仿真模型進行了驗證,仿真結(jié)果表明,該控制策略能夠根據(jù)駕駛員的需求對雙電機的工作狀態(tài)進行有效地控制,實現(xiàn)了從單電機驅(qū)動模式向雙電機耦合驅(qū)動模式的切換,滿足車輛性能要求．

關(guān) 鍵 詞:雙電機;耦合驅(qū)動;制動器;模式切換

現(xiàn)代城市建設(shè)的發(fā)展對純電動汽車需求越來越多,應(yīng)用多動力耦合技術(shù)的雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)在大功率純電動汽車上的應(yīng)用日益廣泛,為受制于電機技術(shù)和機械傳動材料的大功率純電動汽車的發(fā)展提供了新的解決途徑,成為純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢．動力耦合驅(qū)動技術(shù)能夠在滿足車輛性能要求的前提下,合理分配與合成各個動力源的輸出,使動力源工作在其效率最優(yōu)的范圍內(nèi),優(yōu)化動力耦合驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動特性和系統(tǒng)效率,從而提高純電動汽車的動力性能指標[1-2]．雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)作為一種多動力耦合技術(shù)的應(yīng)用,主要由驅(qū)動電機、耦合裝置、控制器等組成．控制器通過對車輛的工作信號、駕駛員的意圖、控制命令等信息的采集判斷車輛所處的狀態(tài),結(jié)合所設(shè)計的控制策略實現(xiàn)對車輛的控制．選擇適合車輛的工作模式,并對驅(qū)動系統(tǒng)動力源的功率進行合理分配,使動力源的驅(qū)動狀態(tài)最優(yōu)．因此,雙電機耦合系統(tǒng)在純電動汽車的發(fā)展過程中具有更大的節(jié)能潛力和更好的發(fā)展前景．

根據(jù)行星耦合裝置的結(jié)構(gòu)和工作特性,對采用雙電機行星耦合驅(qū)動系統(tǒng)的純電動汽車電機的工作模式進行了分析研究,通過合適的模式切換控制策略控制車輛在不同狀態(tài)下工作模式的切換[3-6],重點研究在不同工況下單電機驅(qū)動模式向雙電機耦合驅(qū)動模式的切換控制．對構(gòu)建純電動汽車雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)模型進行了仿真驗證,仿真結(jié)果表明,該模型能夠表達出雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)的工作情況,選取的控制策略能夠?qū)﹄p電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)進行有效控制,準確實現(xiàn)單電機驅(qū)動模式向雙電機耦合驅(qū)動模式的切換．

1 雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特性分析

雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示．由圖1可知,系統(tǒng)主要由電機1、電機2、制動器B和一組行星耦合裝置構(gòu)成．其中,電機1是主驅(qū)動電機,與行星耦合裝置的太陽輪連接;電機2是輔助電機,與齒圈和制動器B連接;行星耦合裝置的行星架與減速裝置連接,最終驅(qū)動車輛行駛．該系統(tǒng)可以根據(jù)車輛工作的不同模式選擇單電機驅(qū)動或者雙電機耦合驅(qū)動．在需要低速大轉(zhuǎn)矩的情況下,電機1單獨工作,制動器B鎖止．電機1驅(qū)動太陽輪經(jīng)行星架驅(qū)動車輛,電機經(jīng)大速比減速增扭后驅(qū)動汽車,滿足汽車低速大轉(zhuǎn)矩工作要求;在需要高速低轉(zhuǎn)矩的情況下,制動器B松開,輔助電機2開始工作,經(jīng)行星耦合裝置實現(xiàn)雙電機耦合驅(qū)動．在系統(tǒng)工作過程中,不同的模式切換時電機1一直處于驅(qū)動狀態(tài)．系統(tǒng)主要通過對電機2和制動器B的控制,實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的模式切換．雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)是一種多動力傳動系統(tǒng),電機1和電機2不僅可以作為動力源驅(qū)動車輛行駛,而且在制動過程中,還可作為發(fā)電機運行,實現(xiàn)車輛的回饋制動模式,有利于車輛的能量回收．

圖1 雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)等效杠桿法[7]將系統(tǒng)中行星耦合裝置的3個主要構(gòu)件等效為水平布置的3個等效杠桿,分別代表行星架c、太陽輪s、齒圈r．無論行星裝置的驅(qū)動關(guān)系如何變化,3個構(gòu)件的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩結(jié)點都在一條直線上．3個杠桿支點相對的位置由行星耦合裝置的特性參數(shù)k決定,而且任意兩個構(gòu)件的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)矩)就可以等效出第3個構(gòu)件的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)矩)．

當汽車在起步和爬坡過程中,車輛對轉(zhuǎn)矩的需求較大,此時選擇單電機單獨工作,制動器B鎖止,滿足汽車低速大轉(zhuǎn)矩工作要求．電機驅(qū)動太陽輪經(jīng)行星架后驅(qū)動車輛行駛．當系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)時,其轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩關(guān)系[8]為:

當車輛需要較大車速時,電機的轉(zhuǎn)矩小、功率大,此時采用雙電機耦合驅(qū)動模式滿足車輛高速大功率的要求．電機分別通過太陽輪和齒圈經(jīng)向星耦合裝置輸入動力,通過耦合后經(jīng)行星架輸出動力驅(qū)動車輛行駛．當系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)時,轉(zhuǎn)速關(guān)系滿足:

利用等效杠桿法可得單電機驅(qū)動和雙電機耦合驅(qū)動時的最高車速為:

式中,vmax1為電機1的最高車速;nmax1為電機1的最高轉(zhuǎn)速;vmax12為雙電機耦合驅(qū)動時的最高車速;nmax2為電機2的最大轉(zhuǎn)速;i為定減速比;r為車輪有效半徑．

2 工作模式及切換

采用雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)的純電動汽車,根據(jù)雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)中電機和制動器的關(guān)系,分析得到5種車輛工作模式[9]:空擋模式、低速單電機驅(qū)動模式、高速雙電機耦合驅(qū)動模式、低速單電機制動模式、高速雙電機耦合制動模式．雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)工作模式的基礎(chǔ)是對驅(qū)動電機和制動器的控制．合理的控制算法既可實現(xiàn)兩個驅(qū)動電機的協(xié)調(diào)控制,又能提高車輛運行效率,增強車輛的操縱感和舒適度．

在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了制動器控制的模型,以單電機驅(qū)動下的最高車速vmax1作為限制條件,控制制動器的鎖止與松開,實現(xiàn)車輛由單電機驅(qū)動模式切換至雙電機耦合驅(qū)動模式的控制．當車速低于vmax1時,控制制動器鎖止,車輛處于單電機驅(qū)動模式;當車速高于vmax1時,控制制動器松開,車輛切換到雙電機耦合驅(qū)動模式．

當車輛由低速模式(單電機工作模式)切換到高速模式(雙電機耦合工作模式)的過程中,電機1一直工作在最高轉(zhuǎn)速附近,處于驅(qū)動狀態(tài)．在車速等于u2時,制動器解除,電機2轉(zhuǎn)為驅(qū)動狀態(tài),實現(xiàn)兩臺電機的功率耦合．在模式切換的過程中,系統(tǒng)一直有動力輸出,以克服車輛的行駛阻力,實現(xiàn)模式切換無動力中斷,以保證車速上升或至少保持不變．

式中,nmax1為電機1的最高轉(zhuǎn)速．

在模式切換過程中,系統(tǒng)一直有動力輸出,以克服車輛的行駛阻力,實現(xiàn)模式切換無動力中斷,保證車速上升或至少保持不變．當車速接近車輛最高車速時,驅(qū)動力與行駛阻力達到平衡,車輛不再具有后備功率．合理有效地模式切換是實現(xiàn)車輛經(jīng)濟性、動力性、舒適性的基礎(chǔ),對于采用以轉(zhuǎn)速作為模式切換的約束條件,可以使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,在車輛運行過程中模式切換次數(shù)較少,能更好地改善車輛的動力性．

3 仿真分析

采用前向式的仿真模式,在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了雙電機行星耦合驅(qū)動的純電動汽車仿真模型,主要包括駕駛員模型、電機模型、整車模型、行星耦合裝置和蓄電池模型等[10-11]．駕駛員模型由Signal Builder模塊構(gòu)成,模擬駕駛員對踏板的踩踏角度;整車模型將整車質(zhì)量、迎風面積、空氣阻力系數(shù)、滾動半徑、摩擦系數(shù)等參數(shù)封裝在一起來模擬車輛行駛信息;行星耦合裝置由Sim Driveline工具箱下的Planetary Gear模塊和制動器模塊構(gòu)成．在仿真實驗中根據(jù)雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性和相關(guān)設(shè)計要求,完成對應(yīng)的電機參數(shù)、行星耦合裝置特性參數(shù)k、定減速比i等參數(shù)的匹配[12]．由于研究的重點是雙電機行星耦合驅(qū)動系統(tǒng)的模式切換,不研究蓄電池,因此假設(shè)驅(qū)動狀態(tài)下蓄電池SOC足以滿足車輛的動力需求．假設(shè)車輛在城市道路上行駛,在不同路況下,駕駛員對踏板踩踏的強度不同,車輛在單電機驅(qū)動模式下行駛的時間不同．踏板強度較大時,車輛需要在低速模式工作的時間越短,應(yīng)盡快切換到雙電機耦合驅(qū)動模式使之達到較大車速．踏板強度如圖2所示．將其定義為低速行駛模式,該模式下車輛車速在30 km/h以下,駕駛員對加速踏板進行小角度的控制,車輛對車速要求小,沒有達到設(shè)置的切換條件,此時由電機1單獨驅(qū)動,制動器鎖止．車速行駛狀態(tài)如圖3所示．

圖2 踏板強度

圖3 行駛車速

踏板強度如圖4所示．將其定義為正常行駛模式,該模式下駕駛員對踏板的踩踏角度是從小到大,可以識別為駕駛員駕駛車輛從低速起步到逐漸加速的過程．車速狀態(tài)如圖5所示．由圖5可以看出,車輛在近13 s時,車速達到了30km/h的切換條件,車輛從單電機驅(qū)動模式切換到雙電機耦合驅(qū)動模式．切換成功后車輛用較高的加速度對車輛進行加速,滿足車輛對車速需求．

圖4 踏板強度

圖5 行駛車速

踏板強度如圖6所示．將其定義為高速行駛模式,該模式下駕駛員對踏板的踩踏程度一直保持著較大的幅度,說明對車輛具有高速度的需求．行駛車速如圖7所示．從圖7中可以看出,車輛在近5 s時即達到了切換條件,從單電機驅(qū)動模式切換到雙電機耦合驅(qū)動模式．在整個仿真過程中車速一直保持在較高的狀態(tài),滿足駕駛員對動力性的要求．

踏板強度如圖8所示．由圖8可知,該模式下駕駛員踩踏加速踏板到最大角度并保持長時間狀態(tài)．車速狀態(tài)如圖9所示．由圖9可知,在該模式下約18s時車輛達到最大車速,且在約5 s時就從單電機驅(qū)動模式切換到雙電機耦合驅(qū)動模式,滿足車輛在短時間對車速達到最大的要求,使車輛具有更好動力性．在仿真過程中,當車輛在18 s達到最大車速時,由于車輛達到了最高車速,即驅(qū)動力與行駛阻力達到了平衡點,車輛不再具有后備功率．

圖6 踏板強度

圖7 行駛車速

圖8 踏板強度

圖9 行駛車速

4 結(jié)論

以雙電機行星耦合驅(qū)動系統(tǒng)的純電動汽車作為研究對象,并對雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)的工作狀態(tài)及其在工作模式之間切換進行了研究,探索出一種適用于從單電機驅(qū)動模式向雙電機耦合驅(qū)動模式進行切換的控制策略．通過仿真驗證了在不同路況下車輛能夠根據(jù)駕駛員對踏板的控制實現(xiàn)相應(yīng)的車速需求,同時,根據(jù)車速判斷車輛的工作模式,實現(xiàn)從單電機驅(qū)動模式向雙電機耦合驅(qū)動模式的切換．在滿足車輛性能的前提下,優(yōu)化駕駛員對車輛的操縱感,改善純電動汽車的動力性．

參考文獻:

[1] 蔣科軍,何仁,束馳,等．混合動力汽車動力耦合技術(shù)綜述[J]．機械傳動,2015,39(4):175-181．

[2] 張碩,張承寧,王志福,等．電動汽車多動力耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與分析[J]．大功率變流技術(shù),2012(5):47-50．

[3] 趙治國,何寧,朱陽,等．四輪驅(qū)動混合動力橋車驅(qū)動模式切換控制[J]．機械工程學報,2011,47(4):100-109．

[4] C N Zhang．Mode switching control strategy of dual motors coupled driving on electric vehicle[J]．Journal of Beijing Institute of Technology,2011,20(3):394-398．

[5] 劉振軍,史波,趙江靈,等．強混CVT轎車模式切換控制[J]．重慶理工大學學報:自然科學,2013,27(7):1-7．

[6] 韓光偉．張承寧．雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)試驗臺構(gòu)建及控制策略試驗[J]．微特電機,2014,42(9):70-75．

[7] 鄒乃威,王慶年,劉金剛,等．混合動力汽車行星機構(gòu)動力耦合裝置控制研究[J]．中國機械工程,2010,21(23):2 847-2 851．

[8] 饒振剛．行星齒輪傳動設(shè)計[M]．北京:化學工業(yè)出版社,2003．

[9] 武小花．純電動客車雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)控制策略研究[J]．高技術(shù)通訊,2013,23(8):863-867．

[10]白羽鶴,范健文,譚光興,等．基于Matlab/Simulink的混聯(lián)式混合動力電動汽車建模與仿真[J]．計算機與現(xiàn)代化,2014 (3):24-30．

[11]杜波,秦大同,段志輝,等．HEV多領(lǐng)域物理建模與模式切換控制仿真[J]．系統(tǒng)仿真學報,2013,25(7):1 668-1 674．

[12]范健文,郭毅鋒,林川,等．純電動大客車雙電機行星耦合傳動系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計[J]．科學技術(shù)與工程,2013,13(35):10 741-10 745．

Mode switching of dual motors coupled driving on pure electric vehicle

WANG Shuo,GUO Xing-zhong?,GAO Wen-gen,SUN Si-zhou
(Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Energy Saving Devices, Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

Abstract:The operational mode for the dual motors of coupled drive system used in pure electric vehicle is studied．The planetary coupling drive systems were divided into the low-speed single motor and highspeed dual-motor mode based on the structure and working principles．The reasonable and efficient control strategy can improve the efficiency of the drive system using a single motor drive or dual-motor coupling drive in meeting the requirements of the premise．Controling the brake in the planetary coupling device for mode switching from the single motor drive to the dual-motor coupling drive based on the maximum speed of the vehicle can improve the system efficiency．They were verified by building simulation models in Matlab/Simulink environment．The test results show that this control strategy can control the double motor for effective state according to the drive＇s needs．The mode switching from the single motor drive to the dual-motor coupled drive is achieved and satisfies the performance requirements of the vehicle．

Key words:dual-motor;coupling drive;brake;mode switching

中圖分類號:U469．72

文獻標識碼:A

收稿日期:2015-10-15

基金項目:安徽省自然科學基金資助項目(1408085ME105)

作者簡介:王 碩(1990-),男,河南商丘人,碩士研究生．

通訊作者:郭興眾(1962-),男,安徽阜陽人,教授,碩導(dǎo)．