履輪復(fù)合式電傳動車輛轉(zhuǎn)矩分配策略研究

宋平 張凌云 張杰

（陸軍裝甲兵學(xué)院 北京市 100072）

1 引言

當(dāng)前，電傳動技術(shù)日臻成熟且在多個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，以綜合電力系統(tǒng)、電驅(qū)動、電磁炮、電磁裝甲為主要特征的全電化裝甲車輛取得了重大的發(fā)展與突破?；陔妭鲃蛹夹g(shù)的履帶式裝甲車輛具有接地面積大、通過性強、中心轉(zhuǎn)向等優(yōu)點[1]。然而，受限于電機設(shè)計與制造水平，車輛驅(qū)動電機功率密度不足，轉(zhuǎn)矩密度較低[2]，同時由于履帶式車輛整體質(zhì)量過大，難以保證車輛在起動、轉(zhuǎn)向、爬坡以及最高設(shè)計速度下行駛等方面的性能表現(xiàn)[3]?；谝陨蠁栴}，本文突破傳統(tǒng)思維，開展創(chuàng)新研究，提出了一種履輪復(fù)合式電傳動系統(tǒng)方案。該方案結(jié)合了履帶式與輪式裝甲車輛各自的優(yōu)點，通過在履帶式裝甲車輛的負重輪中加入輪轂驅(qū)動電機[4]，極大地提高了驅(qū)動電機整體功率密度與轉(zhuǎn)矩輸出，并大幅提升車輛整體性能。

2 履輪復(fù)合式電傳動車輛方案設(shè)計

本文將8噸級履帶式裝甲車輛作為研究目標(biāo)，根據(jù)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要求，開展履輪復(fù)合式電傳動履帶車輛總體方案設(shè)計。采用基于多領(lǐng)域分析、多層面集成的總體設(shè)計方法，進行履輪復(fù)合式電傳動系統(tǒng)的總體技術(shù)方案設(shè)計，整車方案原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)方案是發(fā)動機通過增速器實現(xiàn)和發(fā)電機的有效連接，形成并釋放三相交流電，在進行整流等一系列處理后輸出高壓直流電。鋰離子動力電池經(jīng)過雙向 變換器，以并聯(lián)的形式與超級電容掛接于直流母線上。高壓直流電經(jīng)逆變器后，為各個驅(qū)動電機供電，驅(qū)動車輛行駛。主動輪電機在車輛行使過程中提供主驅(qū)動力，滿足車輛正常高速行駛時的功率和扭矩需求，同時將左、右側(cè)第2、3、4、5負重輪改裝為輪轂電機驅(qū)動輪，為車輛提供輔助驅(qū)動力，配合主動輪電機共同滿足車輛起動、轉(zhuǎn)向和爬坡時的大扭矩需求。

3 履輪復(fù)合式電傳動車輛車輛轉(zhuǎn)矩分配控制策略

履帶車輛通常行駛在復(fù)雜、惡劣路面，兩側(cè)傳動系統(tǒng)中各電機之間沒有機械約束，在車輛行駛過程中路面負載突變導(dǎo)致主動輪轉(zhuǎn)速難以跟蹤，因此必須對各個電機輸出驅(qū)動力必須進行有效的協(xié)調(diào)控制，才能滿足車輛直駛、轉(zhuǎn)向、爬坡等不同行駛工況要求，對于提高車輛的機動性以及操控性具有重要意義。本文按照分層設(shè)計的理念將車輛行駛控制策略分為運動層和分配層，其中運動層將整車行駛所需驅(qū)動力分配至兩側(cè)傳動系統(tǒng)，分配層主要處理單側(cè)傳動系統(tǒng)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩在內(nèi)部1個主動輪電機和4個負重輪電機之間的分配問題，其中運動層控制策略參考文獻[5]，本文主要考慮分配層控制策略。

圖1：履輪復(fù)合式電傳動系統(tǒng)方案原理框圖

圖2：加權(quán)系數(shù)與車速關(guān)系曲線

在將行駛過程中車輛傳動系統(tǒng)總目標(biāo)轉(zhuǎn)矩在兩側(cè)主動輪電機軸端進行分配后，分別得到兩側(cè)傳動系統(tǒng)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩Tl*和Tr*，在分配層需要進一步考慮如何將每一側(cè)傳動系統(tǒng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩在內(nèi)部5個電機之間進行分配。根據(jù)傳動系統(tǒng)設(shè)計方案，主動輪電機的主要功能是為車輛正常運行提供穩(wěn)定持續(xù)的驅(qū)動力，當(dāng)車輛處于爬坡等低速大扭矩工況下，啟動負重輪電機并釋放輔助驅(qū)動力。同時主動輪電機選取了性能可靠且當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的永磁同步電機，負重輪電機選取了運行穩(wěn)定的開關(guān)磁阻電機，在電機方案中，永磁同步電機具有比開關(guān)磁阻電機更高的運行效率，因此在分配層設(shè)計了基于“主動輪電機優(yōu)先”的分配規(guī)則，即將單側(cè)傳動系統(tǒng)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩優(yōu)先分配給主動輪電機，如果主動輪電機輸出轉(zhuǎn)矩不滿足單側(cè)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩需求，則將剩余部分轉(zhuǎn)矩在4個負重輪電機之間分配。以左側(cè)傳動系統(tǒng)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的分配為例，其分配規(guī)則可以用式（1）表示：

式中Tzl為左側(cè)主動輪電機分配轉(zhuǎn)矩；ωzl為左側(cè)主動輪電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速；Tmax(ωzl)為左側(cè)主動輪在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)Tl*>Tmax(ωzl)，超出主動輪電機在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下所能輸出最大轉(zhuǎn)矩的部分TdΣ可以表示為：

圖3：爬30度坡性能仿真曲線

然后考慮TdΣ在4個負重輪電機之間的分配問題，由于4個負重輪電機具有相同的特性和運行效率，在負重輪嚙合齒與履帶齒嚙合良好時，只有將TdΣ在4個負重輪電機之間平均分配時，負重輪傳動系統(tǒng)總的驅(qū)動效率達到最優(yōu)?？紤]到主動輪電機和負重輪電機協(xié)同驅(qū)動時，車輛的最大速度為20km/h。假設(shè)協(xié)同驅(qū)動時車輛的平均速度為10km/h，而履帶板的節(jié)距為0.122m，任何一個負重輪與履帶板接觸位置在1s內(nèi)要嚙合約23次左右，因此在負重輪嚙合齒與履帶齒不處于良好的嚙合狀態(tài)時，隨著車輛的運動，負重輪能夠很快回到嚙合良好的狀態(tài)。所以TdΣ在4個負重輪電機之間分配時，認(rèn)為所有的負重輪嚙合齒與履帶齒嚙合良好，每一個負重輪電機所分配的轉(zhuǎn)矩可以表示為：

式中Tdi代表左側(cè)第i臺負重輪電機所分配的轉(zhuǎn)矩，i=1:4。

在車輛高速（≥20km/h）行駛時，負重輪電機不參與轉(zhuǎn)矩的分配，當(dāng)車速較低（<20km/h）時，負重輪電機開始介入?yún)⑴c轉(zhuǎn)矩的分配，與主動輪電機協(xié)同驅(qū)動車輛行駛。如果不對負重輪電機開始介入和退出時轉(zhuǎn)矩的分配加以調(diào)整，會造成車輛驅(qū)動力出現(xiàn)比較大的突變，不利于車輛的平穩(wěn)行駛。因此為了實現(xiàn)負重輪電機輸出驅(qū)動力切換時的平滑過渡，在車速大于20km/h時施加加權(quán)系數(shù)K來動態(tài)調(diào)整兩側(cè)傳動系統(tǒng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，那么有：

式中Tdi_f為左側(cè)第i臺負重輪電機最終所分配的轉(zhuǎn)矩；加權(quán)系數(shù)K滿足如圖2所示的關(guān)系。

4 控制策略仿真驗證

本文利用文獻[5]建立的樣車機電聯(lián)合仿真模型對控制策略進行仿真驗證，為了驗證控制策略在主動輪電機和負重輪電機協(xié)同驅(qū)動模式下的控制效果，論文選取典型的低速大扭矩爬坡工況對控制策略進行聯(lián)合仿真驗證。同時為了保證車輛單側(cè)電驅(qū)動系統(tǒng)總目標(biāo)轉(zhuǎn)矩超過主動輪電機所能提供的最大轉(zhuǎn)矩，設(shè)置坡度為30度，縱向車速為10km/h，仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3（b）可知在勻速爬坡過程中，4個負重輪轉(zhuǎn)速并沒有出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)，經(jīng)過傳動比換算后基本與主動輪轉(zhuǎn)速基本相同。由圖3（c）和3（d）可知超過主動輪電機輸出轉(zhuǎn)矩的部分在4個負重輪電機之間分配均勻，輸出動力平穩(wěn)，總的轉(zhuǎn)矩分配目標(biāo)值與實際值保持一致，該結(jié)果驗證了行駛控制策略中基于規(guī)則分配的有效性。

5 結(jié)論

針對電傳動履帶車輛中驅(qū)動電機設(shè)計和制造難度較高，本文提出了一種主動輪和負重輪協(xié)同驅(qū)動車輛行駛的履輪復(fù)合式電傳動車輛方案。在整車行駛控制策略的分配層中設(shè)計了以“主動輪電機優(yōu)先和負重輪電機平均分配”為規(guī)則的轉(zhuǎn)矩分配控制策略，基于機電聯(lián)合仿真模型對控制策略的有效性行了驗證，結(jié)果表明所設(shè)計的分配層控制策略能夠合理分配兩側(cè)多個電機輸出轉(zhuǎn)矩，為控制策略的實車應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。