電動客車輪邊驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配控制策略研究

王 旭

（揚(yáng)州亞星客車股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225116）

引言

隨著科技與社會的快速發(fā)展，全球環(huán)境污染和能源危機(jī)日益嚴(yán)重，新能源汽車取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車是必然趨勢，在客車方面，新能源客車也正在逐步占領(lǐng)市場，分布式驅(qū)動客車作為一種新興的新能源車，也逐漸應(yīng)用在市場中。

圖1展示了我國從2010年至2019年的新能源汽車銷量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年1月至12月，我國純電動汽車的生產(chǎn)量與銷售量分別為92.5萬輛和85.6萬輛，相較于2019年同時期增長51.8%和58.4%。根據(jù)預(yù)測國內(nèi)2020年新能源汽車的銷量將達(dá)到175萬輛，同比增長41.5%。

1 分布式電動客車驅(qū)動力分配的介紹

分布式驅(qū)動客車以其相較于普通燃油客車的巨大的優(yōu)勢，逐漸成為近年來新能源車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在其結(jié)構(gòu)中，有四個電機(jī)分別布置于車輪側(cè)，通過調(diào)控每個車輪的驅(qū)動力矩來確保車輛控制的靈活性和準(zhǔn)確性。 而對于電動機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩控制是車輪驅(qū)動分布式客車的關(guān)鍵技術(shù)，其控制效果的好壞將會直接影響分布式客車的行駛狀態(tài)。在電動客車驅(qū)動控制方面，分布式客車在行駛時，轉(zhuǎn)矩控制策略會根據(jù)駕駛員的操作和路況，去調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)輸出的扭矩，驅(qū)動扭矩控制策略包括驅(qū)動扭矩分配控制策略和驅(qū)動防滑控制策略。 而對于驅(qū)動扭矩分配，具體又可以分為橫向和縱向驅(qū)動扭矩分配，即前后橋驅(qū)動扭矩分配和左右側(cè)驅(qū)動扭矩分配[1]。

圖1 近十年我國新能源汽車銷量

2 分布式驅(qū)動電動客車驅(qū)動電機(jī)的匹配

電機(jī)的動力參數(shù)應(yīng)根據(jù)車輛的基本參數(shù)選定，本文以GTQ6105BEVBT3為例進(jìn)行設(shè)計(jì)匹配（見表1）。

表1 參數(shù)數(shù)據(jù)

2.1 電機(jī)參數(shù)的計(jì)算

驅(qū)動電機(jī)的性能影響著分布式客車的經(jīng)濟(jì)性和動力性，計(jì)算的主要參數(shù)包括：額定功率、峰值功率、額定轉(zhuǎn)矩、峰值轉(zhuǎn)矩等等。

2.1.1 峰值功率的計(jì)算

（1）按照整車性能參數(shù)表中的最高車速確定驅(qū)動電機(jī)的峰值功率，計(jì)算公式如下：

（2）按照如下公式確定輪轂電機(jī)的參數(shù)：

（3）根據(jù)最大爬坡度的要求按照如下公式計(jì)算驅(qū)動電機(jī)的峰值功率：

2.2 計(jì)算峰值轉(zhuǎn)速

電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速代表電機(jī)的無負(fù)載動力性能，根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，按照如下公式：

式中，b為車輪滾動半徑，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，ig為主減速器傳動比，vc為車速。

2.3 計(jì)算峰值轉(zhuǎn)矩

電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩代表了電機(jī)在極限工況下的工作能力，其主要受制于車輛最大爬坡時的轉(zhuǎn)矩、啟動的最大轉(zhuǎn)矩、車輛變速比等因素，可根據(jù)如下公式計(jì)算：

式中：Pmax-v為電機(jī)峰值功率（kW）；Vc為最高車速（km/h）；A 為迎風(fēng)面積（m2）；g為重力加速度（m/s"）；f為滾動阻力系數(shù)；傳動系統(tǒng)效率；m 為車輛質(zhì)量（kg）；Vc為爬坡車速（km/h）；Cd為空氣阻力系數(shù)；a為道路坡角，單位為rad。

3 基于Cruise的整車模型建立

由于Cruise仿真軟件豐富的模塊化及建模方式、強(qiáng)大的功能等優(yōu)點(diǎn)因此被廣泛應(yīng)用于整車性能仿真。首先利用Cruise軟件搭建整車模型，從庫中調(diào)取差速器、動力電池、制動器、車輪等模塊，然后根據(jù)表，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)總線的連接。根據(jù)其中的參數(shù)對調(diào)取的各種模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)。建模仿真包括三個階段：前處理、任務(wù)計(jì)算和后處理。前處理包括方案設(shè)計(jì)、搭建模型、完成機(jī)械、電氣連接。任務(wù)計(jì)算包括添加目標(biāo)、設(shè)計(jì)計(jì)算任務(wù)、仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算的可行性。后處理包括對仿真結(jié)果查閱分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。搭建好的模型如圖2：

圖2 Cruise整車模型

3.1 仿真工況的建立

在整車模型搭建完成后，設(shè)定好驅(qū)動力控制策略，然后將搭建完成的分布式客車模型在設(shè)定的路面工況下進(jìn)行仿真，分析其動力性和經(jīng)濟(jì)性，之后驗(yàn)證動力系統(tǒng)參數(shù)的合理性，驗(yàn)證控制策略的有效性。在Cruise中建立了如下幾種計(jì)算任務(wù)：

（1）首先是對車輛的動力性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，一是最大爬坡度的驗(yàn)證。

（2）第二種情況是在車輛滿載的情況下測試車輛的加速試驗(yàn)，驗(yàn)證其極限工況下的動力性能。

（3）接下來為了驗(yàn)證車輛是否能滿足所要求的續(xù)航里程，設(shè)計(jì)循環(huán)工況來驗(yàn)證。

（4）最后為了驗(yàn)證分布式客車在最高車速下穩(wěn)態(tài)行駛的能力。為了分布式客車在收到控制策略的控制下在不同路面工況的燃油消耗。這里復(fù)合工況采用多路面工況，中間段采用多個高速公路工況，在模擬路況的兩端分別采用典型的中國城市公交路段和一段 EUDC城郊道路工況進(jìn)行復(fù)合模擬。由此，一段構(gòu)建了城市、市郊及高速等多種路況特征的循環(huán)工況信息建成，總里程為290km，平均車速為72.5km/h，最高車速88.5km/h[3]。

3.2 電機(jī)的控制策略及優(yōu)化

然后設(shè)置對整車VCU模塊對扭矩分配的控制策略：

（1）使用查表的方法，VCU根據(jù)接收到的車速、油門踏板行程等信號，計(jì)算得到四個電機(jī)所需要的總制動力矩和驅(qū)動力矩。

（2）接下來計(jì)算兩種特殊工況下。第一種是當(dāng)分布式驅(qū)動電動客車的制動踏板行程為0、油門踏板行程不為0時，分布式客車接收到信號，VCU發(fā)出控制指令，客車進(jìn)入驅(qū)動模式。通過計(jì)算得到所需的總驅(qū)動扭矩與后輪雙電機(jī)驅(qū)動允許最大扭矩值相除，得到分布式客車的負(fù)荷率系數(shù) p，其取值范圍為 0～1。然后將該系數(shù)與汽車進(jìn)入四輪驅(qū)動模式的閾值相比較，如果計(jì)算所得系數(shù)比預(yù)先設(shè)定的系數(shù)大，分布式客車進(jìn)入四電機(jī)驅(qū)動模式；如果系數(shù)小于閾值則進(jìn)入后輪雙電機(jī)驅(qū)動模式。

（3）第二種情況是當(dāng)制動踏板行程不為0、油門踏板行程為0時，VCU檢測到信號觸發(fā)制動模式。在客車進(jìn)入制動模式后，VC重復(fù)步驟（2）對步驟（1）計(jì)算得到的總需求制動扭矩計(jì)算，得到四個電機(jī)分別需要的具體制動扭矩值[2]。

仿真輸出的電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配圖如下：

圖3 四個電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配對比

4 總結(jié)

本文選取了分布式客車的基本參數(shù)，然后根據(jù)選定的參數(shù)對電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩、峰值轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、峰值轉(zhuǎn)速、峰值功率等參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。之后使用Cruise軟件對分布式客車進(jìn)行整體建模，然后對客車進(jìn)行基于經(jīng)濟(jì)性和動力性的電機(jī)驅(qū)動策略優(yōu)化。最后通過仿真驗(yàn)證。根據(jù)仿真分析的轉(zhuǎn)矩圖可以看出受到基于經(jīng)濟(jì)性的轉(zhuǎn)矩分配策略分布式客車在不同的行駛狀態(tài)下分配比也不同，但都有效地提高了客車的經(jīng)濟(jì)性和動力性。