電動(dòng)客車機(jī)電雙源轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡其豐， 文健峰， 何 亮， 張 天

(1.中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司， 湖南 株洲 412007; 2.長沙中車智馭新能源科技有限公司，長沙 410000)

國家標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)客車安全技術(shù)條件》要求:車輛在行駛過程中，出現(xiàn)需要整車主動(dòng)斷B級高壓電的車輛異常情況時(shí)，在車速大于5 km/h時(shí)應(yīng)保持轉(zhuǎn)向系統(tǒng)維持助力狀態(tài)或至少保持轉(zhuǎn)向助力狀態(tài)30 s后再斷B級電[1]。然而當(dāng)前,電動(dòng)客車在行駛中動(dòng)力電池或其他系統(tǒng)如果出現(xiàn)嚴(yán)重故障，整車控制器需要切斷高壓時(shí)，轉(zhuǎn)向助力狀態(tài)無法持續(xù)維持[2-3]。針對這一問題，很多研究者在雙源轉(zhuǎn)向方面進(jìn)行了大量研究。比較典型的是在現(xiàn)有電動(dòng)客車轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了3種高壓應(yīng)急轉(zhuǎn)向方案：雙轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、雙源轉(zhuǎn)向泵系統(tǒng)、升壓系統(tǒng)，經(jīng)分析得出了將雙源轉(zhuǎn)向泵系統(tǒng)作為優(yōu)選方案[4]。這也是目前較為主流的雙源轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它主要是基于24 V低壓系統(tǒng)進(jìn)行冗余，其配置需要增加低壓DC/AC并采用雙繞組電機(jī)。但是，此種雙電源轉(zhuǎn)向方案存在冗余范圍和持續(xù)輸出能力有限、控制相對復(fù)雜等問題；還存在因系統(tǒng)通過高低壓控制器進(jìn)行CAN通信交互[5]。當(dāng)整車CAN通訊失效時(shí)，低壓DC/AC也無法啟動(dòng)，仍然會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向助力失效。隨著市場上雙電源轉(zhuǎn)向系統(tǒng)車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障不斷增加；而且電動(dòng)空氣壓縮機(jī)機(jī)油乳化問題在電動(dòng)客車中已成為行業(yè)通病，這些對車輛成本及運(yùn)行都將帶來較大壓力[6]。

對此，本文提出一種機(jī)電雙源轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過機(jī)械方式將負(fù)載驅(qū)動(dòng)與車速直耦，與電氣系統(tǒng)解耦，較好地解決了整車電氣失效時(shí)轉(zhuǎn)向助力狀態(tài)無法持續(xù)維持的問題；除此之外，根據(jù)底盤幾個(gè)子系統(tǒng)的相互關(guān)聯(lián)性及負(fù)載分布特點(diǎn)進(jìn)行集成及控制，能夠解決電動(dòng)壓縮機(jī)機(jī)油乳化問題。

1 機(jī)電雙源轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)電雙源系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)電雙源轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)兩種方式，其中電驅(qū)動(dòng)是通過車載高壓儲(chǔ)能單元供電至電機(jī)控制器，通過控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)；機(jī)械驅(qū)動(dòng)通過與傳動(dòng)軸機(jī)械連接的機(jī)械油泵輸出液壓能，通過液壓閥塊的切換輸入至液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。圖中的氣泵為整車打氣泵，為整車提供氣源,對應(yīng)的負(fù)載本文簡稱氣負(fù)載。圖中馬達(dá)輸出液壓油至轉(zhuǎn)向器，為轉(zhuǎn)向提供助力，對應(yīng)的負(fù)載本文簡稱油負(fù)載。圖中的集成泵電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)氣泵和轉(zhuǎn)向馬達(dá)泵。圖中的機(jī)械泵作為雙源轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的另外一路動(dòng)力來源，起到馬達(dá)的安全冗余和制動(dòng)能量回收的作用。當(dāng)車輛正常行駛時(shí)，機(jī)械泵僅作為補(bǔ)油泵，不承受負(fù)載壓力。當(dāng)車輛出現(xiàn)電氣失效或者判定進(jìn)入制動(dòng)能量回收工況時(shí)，機(jī)械泵作為系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿υ?。車輛制動(dòng)過程中將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械泵的液壓能輸出，從而推動(dòng)集成泵電機(jī)軸被動(dòng)驅(qū)動(dòng)而發(fā)電，實(shí)現(xiàn)向車輛提供轉(zhuǎn)向助力能量來源,同時(shí)驅(qū)動(dòng)氣泵運(yùn)轉(zhuǎn)，補(bǔ)充壓縮氣體至儲(chǔ)氣筒。當(dāng)判定不需要?dú)獗醚a(bǔ)充壓縮空氣時(shí)，可以回收此電能。

圖1 機(jī)電雙源轉(zhuǎn)向系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.2 機(jī)電雙源系統(tǒng)集成泵的設(shè)計(jì)

根據(jù)底盤幾個(gè)子系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)性及負(fù)載分布特點(diǎn)將氣泵、水泵、馬達(dá)集成，本文稱為集成泵。其功能取代獨(dú)立打氣泵、獨(dú)立轉(zhuǎn)向油泵、電機(jī)電控水泵；僅采用一路DC/AC。氣泵、馬達(dá)采用機(jī)械直連方式共用一個(gè)電機(jī)。功能原理框圖如圖2所示。此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于充分利用了實(shí)車負(fù)載的特性，采用錯(cuò)峰控制，實(shí)現(xiàn)部件集成，有效地利用電機(jī)特性，使得電機(jī)在各個(gè)工況中處于高效區(qū)間；此外，集成水泵采用水冷方式，降低氣泵的排氣溫度及機(jī)身溫度，一定程度上提高了整機(jī)的使用壽命。結(jié)合圖1可知，當(dāng)車輛行駛中異常斷電時(shí)，系統(tǒng)在機(jī)械泵的輸出下，拖動(dòng)馬達(dá)泵轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)氣泵軸也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車輛的正常轉(zhuǎn)向與供氣，確保了車輛的安全。相比分立方式，采用集成式設(shè)計(jì)方案取消了一個(gè)電機(jī)，一路DC/AC，節(jié)約了成本及安裝空間。集成泵的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容為馬達(dá)的匹配設(shè)計(jì)、氣泵的參數(shù)設(shè)計(jì)、電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)。本文涉及的參數(shù)設(shè)計(jì)以某8 m純電動(dòng)客車為例。

圖2 集成泵功能原理圖

1.2.1 馬達(dá)的設(shè)計(jì)

馬達(dá)為此雙源轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵執(zhí)行部件，本設(shè)計(jì)中的馬達(dá)具有泵工況和馬達(dá)工況兩種功用。作為泵工況時(shí)，系統(tǒng)通過DC/AC輸出三相交流電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，使得馬達(dá)輸出一定的流量，提供轉(zhuǎn)向助力所需要的液壓能[7]，即將電能轉(zhuǎn)化為液壓能；作為馬達(dá)工況時(shí)，馬達(dá)在機(jī)械泵一定的輸出流量下，以一定的轉(zhuǎn)速被拖動(dòng)著工作，將其液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而帶動(dòng)氣泵及集成泵電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)供氣或電能回收。馬達(dá)的參數(shù)對集成泵及整套系統(tǒng)有著較大的影響，需合理設(shè)計(jì)。

1) 馬達(dá)的最大工作壓力Pmax。此參數(shù)的設(shè)計(jì)主要考慮轉(zhuǎn)向器的最大工作壓力P1以及管路中的油壓損失Pd。一般來說，系統(tǒng)油壓損失值為0.3～0.5 MPa，本文取0.3 MPa。而8 m車型轉(zhuǎn)向器允許的最大工作壓力一般約13 MPa，故馬達(dá)泵的最大工作壓力Pmax=P1+Pd=13.3 MPa。

2) 馬達(dá)的排量設(shè)計(jì)。此參數(shù)的設(shè)計(jì)需滿足轉(zhuǎn)向器流量的需求。本文以循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器為例，轉(zhuǎn)向器需求的流量主要是由轉(zhuǎn)向器的缸徑R、螺桿螺距t以及方向盤的轉(zhuǎn)速n0來計(jì)算[8-9]。根據(jù)國標(biāo)《電動(dòng)客車安全技術(shù)條件》要求及實(shí)車情況，本文方向盤的轉(zhuǎn)速取2 r/s，轉(zhuǎn)向器缸徑為100 mm，螺桿螺距取13.5 mm，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈排出的油的體積V=3.14×(100/2)2。因此，轉(zhuǎn)向器理論需求流量Q0=60n0tV/106=12.72 L/min。馬達(dá)的流量還需考慮自身的效率及轉(zhuǎn)向器的效率，本文取總效率0.8，則馬達(dá)的流量需求Q1=Q0/(0.8)=15.89 L/min。再根據(jù)集成泵電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n(本文設(shè)計(jì)參考值為1 000 r/min)，初步設(shè)計(jì)馬達(dá)的排量為16 mL/r。

1.2.2 氣泵的設(shè)計(jì)

氣泵為整車提供氣源，其設(shè)計(jì)主要是考慮其工作壓力和排氣量。氣泵的工作壓力主要考慮用氣端所需要的工作壓力[10]。我司底盤所用的儲(chǔ)氣筒壓力值為10 bar,因此，氣泵的額定工作壓力可設(shè)計(jì)為10 bar,其最大工作壓力一般在此基礎(chǔ)上加1～2 bar余量。本設(shè)計(jì)氣泵最大工作壓力取為12 bar。

氣泵排氣量的設(shè)計(jì)主要根據(jù)所供氣的容積Va和所規(guī)定的供氣時(shí)間t來計(jì)算。供氣容積包括儲(chǔ)氣筒容積和管路容積兩部分。我司8 m車型一般儲(chǔ)氣筒容積為80～100 L,取100 L計(jì)算，管路容積約為0.9 L，因此，供氣容積Va=100.9 L。根據(jù)《電動(dòng)客車安全技術(shù)條件》的要求，氣泵供氣要求需在4 min內(nèi)供氣至車輛起步氣壓值，我司的起步氣壓為6 bar,根據(jù)公式計(jì)算氣泵排氣量Qa=P·V/T=6×100.9/4=201.8 L/min。一般把理論計(jì)算排氣量值放大20%的余量，因此，氣泵的排氣量需求值為242.16 L/min。

1.2.3 集成泵電機(jī)參數(shù)的設(shè)計(jì)

集成泵電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)主要考慮其功率的設(shè)計(jì)。因?yàn)樵摷杀秒姍C(jī)拖動(dòng)氣泵和轉(zhuǎn)向馬達(dá)兩個(gè)負(fù)載，所以設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮這兩個(gè)負(fù)載的特性及系統(tǒng)的錯(cuò)峰控制策略(見1.4節(jié))。根據(jù)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的最大工作壓力、流量，系統(tǒng)轉(zhuǎn)向部分需求的最大輸出功率Wmax為Pmax·Q1/60=13.3×15.89/60=3.52 kW。根據(jù)各種實(shí)際工況的需求，電機(jī)的功率一般滿足兩倍過載能力持續(xù)3 min即可。因此，轉(zhuǎn)向部分需求的電機(jī)額定功率Wr=Wmax/2=1.76 kW即可滿足。另外，對于排氣量為242.16 L/min的氣泵，需求的集成泵電機(jī)的額定功率為2.2 kW[11]。若直接采用疊加計(jì)算，則系統(tǒng)采用的集成泵電機(jī)額定功率為3.96 kW。考慮到實(shí)際工況中氣負(fù)載和轉(zhuǎn)向負(fù)載的特性，在控制上進(jìn)行打氣需求和轉(zhuǎn)向需求的錯(cuò)峰控制，本文的集成泵電機(jī)額定功率設(shè)計(jì)為3.1 kW。

1.3 機(jī)械泵的設(shè)計(jì)

機(jī)械泵采用皮帶輪傳動(dòng)取力于車輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，將帶輪系的主動(dòng)輪設(shè)計(jì)成驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)軸連接的中間輪盤，直接嵌套在兩者中間。借用驅(qū)動(dòng)電機(jī)外殼上現(xiàn)有的螺栓安裝孔設(shè)計(jì)機(jī)械泵的安裝支架。此安裝設(shè)計(jì)方案具有較好的兼容性，因此不需要新增安裝空間。

根據(jù)轉(zhuǎn)向流量需求設(shè)計(jì)，機(jī)械泵輸出的流量在達(dá)到一定車速后應(yīng)設(shè)計(jì)為恒定輸出值。當(dāng)車速小于V0時(shí)，機(jī)械泵的輸出流量隨著車速的增加而線性增加；當(dāng)車速大于V0時(shí)，機(jī)械泵輸出流量為恒定值，不再隨車速增加而增加。對應(yīng)的車速V0稱為拐點(diǎn)車速，拐點(diǎn)車速之后對應(yīng)的流量Q稱為恒流量。此設(shè)計(jì)中V0的值取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、機(jī)械泵的轉(zhuǎn)速以及帶輪系的速比。若V0的值設(shè)計(jì)越小，則機(jī)械泵的最高轉(zhuǎn)速就會(huì)越大，會(huì)造成系統(tǒng)噪聲越大的問題；若V0的值設(shè)計(jì)較大，則系統(tǒng)安全冗余范圍以及制動(dòng)回收區(qū)間就會(huì)較小。因此，V0值的設(shè)計(jì)是否合理，直接影響著系統(tǒng)的綜合性能。本文根據(jù)理論計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證，V0的值為11.7 km/h。

1.4 控制策略的設(shè)計(jì)

軟件控制是機(jī)電雙源轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部分。不僅要保證高壓狀態(tài)下電驅(qū)動(dòng)工況的穩(wěn)定工作，而且要保證在能量回收工況時(shí)，負(fù)載控制的穩(wěn)定性，還需要保證在高壓失效時(shí)切換為機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)的時(shí)滯非常小。上述能量回收工況指的是在車輛制動(dòng)時(shí)，經(jīng)判斷后需要回收多余車輛動(dòng)能的一種工況。此機(jī)電雙源系統(tǒng)的控制策略如下：

1) 錯(cuò)峰控制策略。當(dāng)整車有供氣需求，同時(shí)發(fā)生大幅度轉(zhuǎn)向時(shí)，若集成泵電機(jī)電流超過設(shè)定值，整車域控制器根據(jù)整車氣壓、車速等信息進(jìn)行綜合判定。若整車氣壓值不低于設(shè)定值且車速不高于設(shè)定值時(shí)，則判定整車儲(chǔ)氣筒中氣壓值滿足當(dāng)前制動(dòng)需求且非高速緊急轉(zhuǎn)向，此時(shí)進(jìn)行錯(cuò)峰控制，則下發(fā)相應(yīng)指令，使氣泵實(shí)現(xiàn)內(nèi)卸荷，臨時(shí)性停止向儲(chǔ)氣筒供氣(因整車控制已經(jīng)判定氣壓在安全范圍內(nèi)，所以此臨時(shí)性停氣供氣不會(huì)影響車輛的制動(dòng)安全性)。

2) 雙源切換解耦控制策略。此系統(tǒng)的雙源切換及操作直接由整車域控制器獲取整車相關(guān)信息，切換不同的工況模式，避免了不同控制器間采用CAN通訊等方式交互的失效導(dǎo)致功能失效的問題。

3) 系統(tǒng)自檢控制策略。在整車行駛過程中，整車域控制器根據(jù)集成泵電機(jī)電流、整車氣壓、車速等信息，進(jìn)行綜合分析，對機(jī)械泵進(jìn)行時(shí)時(shí)檢測。若機(jī)械泵異常或其管路異常導(dǎo)致失效時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入單源模式運(yùn)行，即系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)入制動(dòng)回收工況模式，同時(shí)提示檢修報(bào)警。

4) 制動(dòng)能量回收控制策略。在整車行駛工況中，機(jī)械泵無故障時(shí)，整車域控制器根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、氣壓、車速等相關(guān)信息進(jìn)行判定。若判定進(jìn)入制動(dòng)能量回收工況，則下發(fā)相應(yīng)指令，由機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)兩種負(fù)載。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)臺(tái)架搭建

根據(jù)機(jī)電雙源轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建其簡易測試臺(tái)架，如圖3所示。臺(tái)架試驗(yàn)中，可以通過控制柜對驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，模擬車輛實(shí)際行駛的工況，包括制動(dòng)工況。集成泵電機(jī)的啟停指令可以通過控制柜操作，轉(zhuǎn)向器負(fù)載的模擬也可以通過控制柜來實(shí)現(xiàn)。傳感器1和傳感器2處都可以檢測液壓油的流量、壓力以及油溫，傳感器1用來檢測機(jī)械泵輸出流量特性、油壓特性，通過傳感器2用來檢測輸出至轉(zhuǎn)向器的流量、壓力特性。

圖3 機(jī)電雙源轉(zhuǎn)向系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 測試結(jié)果分析

1) 在行車電驅(qū)動(dòng)過程中，若機(jī)械泵異?；蚱涔苈樊惓?dǎo)致失效時(shí)，系統(tǒng)中的流量將自動(dòng)補(bǔ)充，此工況無時(shí)滯問題。機(jī)械泵失效過程的流量曲線分析如圖4所示。

圖4 電驅(qū)動(dòng)工況中機(jī)械泵失效流量曲線

2) 在行車制動(dòng)能量回收過程中，若是整車電氣失效，電機(jī)失去動(dòng)力時(shí)，對系統(tǒng)流量輸出無影響。此工況無時(shí)滯問題。電氣失效過程的流量曲線如圖5所示。

圖5 制動(dòng)工況中電氣失效流量曲線

3) 在行車電驅(qū)動(dòng)過程中，若是整車電氣失效，電機(jī)失去動(dòng)力時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切換到機(jī)械泵獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。此工況切換時(shí)滯為0.17 s，目前其他方案的切換時(shí)滯≥0.5 s。本設(shè)計(jì)方案縮短了切換時(shí)滯，提高了行車的安全性。轉(zhuǎn)向流量數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 電驅(qū)動(dòng)工況中電氣失效流量曲線

3 結(jié) 論

機(jī)電雙源設(shè)計(jì)采用機(jī)械方式將負(fù)載驅(qū)動(dòng)與車速直耦，實(shí)現(xiàn)了與電氣系統(tǒng)解耦，極大地提高了機(jī)電雙源轉(zhuǎn)向的冗余和持續(xù)輸出能力。除此之外，該設(shè)計(jì)還具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1) 機(jī)電雙源切換時(shí)滯其值遠(yuǎn)低于現(xiàn)有雙電源轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)及其他雙源設(shè)計(jì)。

2) 機(jī)械冗余源在車輛行駛中可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)相關(guān)負(fù)載，極大地提高了整車安全性。

3) 采用制動(dòng)工況下能量回收模式，進(jìn)一步降低了車輛的能耗。

4) 采用集成式設(shè)計(jì)，每套總成的成本約減少 1 500元。