純電動客車的雙軸電機驅(qū)動扭矩分配策略

孫 煒， 歐陽智， 鄭志敏， 劉逸群

(中車時代電動汽車股份有限公司， 湖南 株洲 412007)

對于12 m及以上的大型純電動客車而言，單電機單軸驅(qū)動系統(tǒng)由于底盤結(jié)構(gòu)與電機能力限制，在坡道起步、加速超車、地面濕滑等工況下無法正常滿足駕駛員與整車的驅(qū)動需求，而雙軸驅(qū)動電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)通過驅(qū)動扭矩分配策略[1-4]，實現(xiàn)前后兩個電機匹配協(xié)調(diào)工作，有著良好的性能優(yōu)勢[5-7]。

本文提出一種針對大型純電動客車的雙軸雙電機驅(qū)動扭矩分配策略，該策略基于電機外特性，實時根據(jù)整車車況、駕駛員需求等輸入進行雙電機的驅(qū)動扭矩分配，在滿足整車動力性的基礎上提高經(jīng)濟性，為電動汽車研發(fā)提供參考。

1 動力系統(tǒng)與控制

1.1 動力系統(tǒng)選型及架構(gòu)

本文研究的18 m鉸接純電動客車從兩個方面進行動力系統(tǒng)選型：

1) 驅(qū)動形式。大體上可分為帶有多擋變速器的電機直驅(qū)、僅有主減速器的電機直驅(qū)和輪邊/輪轂電機驅(qū)動。輪邊/輪轂電機驅(qū)動需要對電機進行精準差速控制，在純電動大客車上難以達到理想的效果；帶多擋變速器的電機直驅(qū)，有著復雜的傳動結(jié)構(gòu)，會增加成本并降低可靠性；而僅有主減速器的電機直驅(qū)結(jié)構(gòu)能夠通過多電機性能匹配來滿足整車動力性與經(jīng)濟性需求，并且成本較低，更容易進行精準控制。所以本文選擇僅有主減速器的電機直驅(qū)結(jié)構(gòu)。

2) 多電機性能匹配。可以分為相同型號電機與不同型號電機的組合。相比于相同型號電機的組合，采用不同型號電機的組合可以根據(jù)電機的驅(qū)動效率圖進行更精細的匹配，在滿足動力性需求的前提下，有望達到更低的能耗。本文基于前期性能與成本評估，選擇了前后軸不同型號的電機組合方案：前軸作為主驅(qū)動軸，布置型號為MD2021、額定功率為165 kW的大功率雙繞組直驅(qū)電機；后軸作為動力增強軸，布置型號為MD2007、額定功率為70 kW的單繞組直驅(qū)電機。

本文研究的18 m鉸接純電動客車動力系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。其中：整車控制器(VCU)通過采集電機控制器(MCU)、電池管理系統(tǒng)(BMS)等的信息以及駕駛員意圖,采取相應的策略控制整車動力系統(tǒng)；BMS管理高壓動力電池包，以并聯(lián)方式分兩路給前電機MCU與后電機MCU供電；動力電池電能在前后電機控制器的調(diào)制下轉(zhuǎn)換為三相交流電，給前后驅(qū)動電機提供能量。

圖1 18 m鉸接純電動客車動力系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 整車控制結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1所示的整車動力系統(tǒng)架構(gòu)設計的整車控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中：

1) 信號輸入模塊。包括相關信號輸入組成的CAN信號輸入通道[8-9]、開關量輸入通道、模擬量輸入通道。信號輸入模塊為整車控制各功能模塊提供邏輯輸入。

2) 信號處理模塊。CAN信號輸入在該模塊進行報文濾波與解析；開關量信號輸入根據(jù)需求在該模塊進行有效性濾波；模擬量信號輸入在該模塊轉(zhuǎn)化為對應的數(shù)字量信號。信號處理完成后進行整合，輸出到后續(xù)整車功能模塊。

3) 整車上下電管理模塊。該模塊接收BMS與前后MCU的高壓接觸器狀態(tài)、高低壓上下電等輸入信號，控制BMS與前后MCU的高壓接觸器的閉合與斷開，進行整車高低壓管理。

4) 駕駛意圖解析模塊。該模塊采集擋位開關、加速踏板與制動踏板開度等輸入信號，解析出駕駛意圖，為相關部件提供控制依據(jù)。

5) 雙電機扭矩控制模塊。該模塊采集前后MCU電流、電機轉(zhuǎn)速等狀態(tài)信號計算當前動力系統(tǒng)能力，再根據(jù)獲取的駕駛意圖以及整車工況，計算出當前目標扭矩并進行分配，最后通過CAN報文分別控制前后電機扭矩輸出。

圖2 整車控制結(jié)構(gòu)圖

1.3 驅(qū)動扭矩控制

1.3.1 雙軸電機驅(qū)動工作模式

考慮到前后電機的外特性曲線以及整車動力性需求，本文的雙電機驅(qū)動系統(tǒng)有三種工作模式：

1) 在低速超車、坡道起步等低速驅(qū)動扭矩需求大的工況下，前后雙電機均需輸出驅(qū)動扭矩共同驅(qū)動。

2) 當車速適中時，前電機作為大功率主驅(qū)電機，單獨驅(qū)動即可滿足整車動力需求，且電機工作在高效區(qū)，提高了整車經(jīng)濟性。

3) 當在高速行駛的狀態(tài)下有加速需求時，前后雙電機均需輸出驅(qū)動扭矩共同驅(qū)動，以保證整車動力性。

1.3.2 雙軸電機驅(qū)動峰值總扭矩計算

根據(jù)上述工作模式，計算當前轉(zhuǎn)速下的雙電機驅(qū)動峰值總扭矩Tm，可表示為

(1)

式中:Tfp、Trp分別為前、后軸電機峰值扭矩;nfs為前軸電機獨立工作的電機轉(zhuǎn)速閾值(小于后軸電機的額定轉(zhuǎn)速nrr);nfr為前軸電機的額定轉(zhuǎn)速;Pfp、Prp分別為前、后軸電機峰值功率。

1.3.3 雙軸電機需求總扭矩計算

整車驅(qū)動駕駛意圖的直接體現(xiàn)為加速踏板開度的變化。不同電機轉(zhuǎn)速下，雙電機需求驅(qū)動總扭矩Tn可以表示為

Tn=Tm·D

(2)

式中:Tm為式(1)計算出的雙電機驅(qū)動峰值扭矩;D為加速踏板開度。

式(2)能夠在驅(qū)動系統(tǒng)能力足夠的情況下實時響應驅(qū)動意圖。

1.3.4 雙軸電機驅(qū)動扭矩分配策略模型

在不考慮傳動軸機械損耗以及電機空載損耗的情況下，根據(jù)前后軸電機同時工作或單獨工作來計算相應的雙電機驅(qū)動輸入功率Pn與實際輸出功率Pr：

(3)

(4)

式中：Pfo、Pro分別表示前、后軸電機輸出功率；ηf、ηr分別表示前、后軸電機效率。

雙電機驅(qū)動系統(tǒng)總體效率ηd的計算公式為

ηd=Pr/Pn

(5)

電機驅(qū)動系統(tǒng)功率P與扭矩T、電機轉(zhuǎn)速n的關系為

P=nT/9 550

(6)

將式(3)、(4)、(6)代入式(5)可將雙電機驅(qū)動系統(tǒng)的總體效率ηd表示為

(7)

式中:μ為前軸電機驅(qū)動扭矩占雙電機驅(qū)動總扭矩的分配系數(shù)；nf、nr分別為前、后軸電機實時轉(zhuǎn)速。

式(7)為雙電機驅(qū)動系統(tǒng)的總體效率ηd與雙電機驅(qū)動扭矩分配系數(shù)μ的函數(shù)模型。

本文前軸電機與后軸電機屬于直驅(qū)電機，且主減速比都為6.2，因此nf=nr，簡化式(7)可得：

(8)

綜合式(1)～(8)可以得到本文的雙電機驅(qū)動扭矩分配策略模型為

(9)

式中:ηdm為雙電機總體效率ηd的最大值；Tfn、Trn為雙電機總體效率最高情況下分別分配給前、后軸電機的驅(qū)動扭矩。

2 仿真分析

2.1 仿真模型建立

按以下步驟建立仿真模型：

1) 將雙軸電機驅(qū)動扭矩分配策略封裝成Simulink功能模塊，整合到Simulink雙電機控制模型中，并向AVL Cruise開放模型所需的輸入與輸出接口。

2) 運用AVL Cruise建立整車仿真模型[10-11]，并在模型中導入整車、電機、電池參數(shù)，再分別運行AVL Cruise任務界面中的最大能力加速工況和中國典型城市公交循環(huán)工況[12](CCBC)的能耗仿真任務。兩個仿真任務車速變化快、變化范圍廣，能夠充分切換雙電機扭矩工作模式，驗證雙電機驅(qū)動扭矩分配策略的效果。

3) 將AVL Cruise仿真分析運行時的各個參數(shù)、加速踏板開度、電機轉(zhuǎn)速等作為上述1)中所述的Simulink雙電機控制模型輸入，然后Simulink模型分別計算出前后電機驅(qū)動目標扭矩并輸出給AVL Cruise整車仿真模型，完成聯(lián)合仿真。整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 聯(lián)合仿真模型架構(gòu)

2.2 仿真分析

傳統(tǒng)的雙電機平分驅(qū)動扭矩策略(下文表示為策略2)是指在全工況下整車驅(qū)動扭矩都會平分給前后電機，該策略實現(xiàn)簡單且通用性強，但無法使電機靈活工作在高效率區(qū)。本文基于1.3節(jié)中的雙電機效率的驅(qū)動扭矩分配策略(下文表示為策略1)與策略2分別進行整車動力性與經(jīng)濟性仿真分析：

1) 0～50 km/h的加速時間。在上述聯(lián)合仿真模型中運行最大能力加速任務，加速踏板開度在1 s內(nèi)以線性增長方式達到最大值并保持，直到車速上升至50 km/h時，仿真任務結(jié)束。由仿真結(jié)果可知：兩種策略加速時間都在9 s左右，且最大爬坡度都能達到24.8%，無明顯差異。

其中，在策略1的情況下，整車起步時的驅(qū)動需求總扭矩較大，當車速低于前電機獨立工作的車速閾值(30.4 km/h)時，雙電機驅(qū)動工作模式進入模式1，前后雙電機基于雙電機工作總效率最大原則實時分配驅(qū)動扭矩并輸出；當車速達到前電機獨立工作的車速閾值時，雙電機驅(qū)動工作模式進入模式2，此時前電機單獨工作效率更高，雙電機同時工作切換為前電機單獨工作，切換時整車加速略微受到影響；當車速達到前軸電機的額定轉(zhuǎn)速(43.5 km/h)時，此時整車處于高速加速狀態(tài)，雙電機驅(qū)動模式進入模式3，前后雙電機基于雙電機工作總效率最大原則實時分配驅(qū)動扭矩并輸出。

另外，由理論分析可知，在起步爬坡性能方面，由于策略1與策略2的驅(qū)動需求總扭矩相等，且此階段策略1的工作模式一直為第一種，沒有進行模式切換，與策略2同屬于雙電機共同驅(qū)動，區(qū)別在于雙電機的扭矩分配系數(shù)不同，所以策略1與策略2在起步爬坡性能上無明顯差異，故沒有必要單獨進行聯(lián)合仿真分析。

總體而言，策略1與策略2在整車動力性上無明顯差異。

2) 將CCBC循環(huán)工況路譜導入到上述聯(lián)合仿真模型[13]，運行CCBC循環(huán)工況能耗仿真任務。仿真結(jié)果見表1。

表1 CCBC循環(huán)工況能耗仿真結(jié)果

從表1可知：在CCBC循環(huán)工況下，本文提出的策略1是基于雙電機效率進行驅(qū)動扭矩分配，相較于傳統(tǒng)的策略2，策略1能有效減少整車能耗。

3 結(jié) 論

本文提出一種針對大型純電動客車的雙軸雙電機驅(qū)動扭矩分配策略，該策略能夠基于雙電機工作效率，結(jié)合整車工況、駕駛員意圖等進行雙軸電機驅(qū)動扭矩分配；并通過AVL Cruise-Simulink聯(lián)合仿真進行整車動力性與經(jīng)濟性仿真。結(jié)果表明，本文的雙軸雙電機驅(qū)動扭矩分配策略在滿足車輛整車動力性的基礎上能提高經(jīng)濟性，符合設計預期。