0  引言

近年來國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)迎來了蓬勃發(fā)展的機遇，電動汽車具有的零排放、低能耗、低噪音等特點也逐漸被人們所接受^[1-2]。當前市面上的電動汽車主要以單電機驅(qū)動為主，為了保證整車在各個工況下的動力性及經(jīng)濟性^[3-5]，單電機驅(qū)動系統(tǒng)一般選用一個功率較大的電機，但在城市工況下整車需求的功率較小，導致單電機驅(qū)動系統(tǒng)始終工作在低效區(qū)^[6-7]，而高速工況下單電機驅(qū)動系統(tǒng)又因為功率不足導致整車動力性不足。

為了解決上述問題，調(diào)節(jié)整車動力性和經(jīng)濟性對驅(qū)動系統(tǒng)性能需求的矛盾，研究人員們提出了單電機匹配雙級減速器、雙電機驅(qū)動系統(tǒng)等方法^[8-10]，其中雙電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)合控制策略和算法具有更大的優(yōu)勢。文獻[11-12]對單電機驅(qū)動系統(tǒng)匹配雙級減速器的動力性和經(jīng)濟性進行了分析，在保證整車動力性的前提下，有效的提升了驅(qū)動系統(tǒng)的工作效率，降低了整車能耗；文獻[13]基于電機效率最優(yōu)和電池效率最優(yōu)設(shè)計了一種前后輪雙電機轉(zhuǎn)矩分配方法，提出了一種多目標粒子群優(yōu)化算法同時兼顧電機和電池的效率，提高了電動汽車的系統(tǒng)效率和續(xù)航里程；文獻[14]提出了一種基于正交試驗法的電動汽車雙驅(qū)動動力參數(shù)匹配與優(yōu)化方法，通過對影響因素進行敏感度分析和極差分析獲得最優(yōu)方案，可較好的提升整車性能；文獻[15-16]提出了一種雙電機驅(qū)動電動汽車再生制動模糊控制策略，在保證制動方向穩(wěn)定的前提下，結(jié)合雙電機特性，合理分配前后軸制動力，協(xié)調(diào)機電復合制動力，提高能量回收率，有效延長了整車的續(xù)駛里程。

然而，現(xiàn)有文獻中大多針對雙電機驅(qū)動系統(tǒng)的控制策略進行的研究，并未考慮不同類型的電機對雙電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能影響。特別是在雙電機驅(qū)動系統(tǒng)中，當一個電機工作時，因電機與減速器之間無離合器，不工作的電機處于被拖動狀態(tài)，此時就需要結(jié)合電機的空載損耗同步分析。鑒于此，本文基于永磁同步電機和異步感應電機兩種當前主流的電動汽車驅(qū)動電機，研究了不同驅(qū)動電機類型在雙電機驅(qū)動系統(tǒng)中的組合應用，在此基礎(chǔ)上基于總體效率最優(yōu)設(shè)計了一種分布式雙電機驅(qū)動系統(tǒng)方案，實現(xiàn)了整車各個工況下系統(tǒng)效率的提升，增加了整車的續(xù)航里程。

圖1 雙電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

1  數(shù)學模型建立

本文設(shè)計的雙電機驅(qū)動電動汽車采用前后軸分布式獨立驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。雙電機驅(qū)動系統(tǒng)主要由相互獨立的前驅(qū)系統(tǒng)和后驅(qū)系統(tǒng)組成。前驅(qū)系統(tǒng)包含減速器、小功率的前驅(qū)動電機、前電機控制器（Motor Controller Unit，MCU）構(gòu)成，后驅(qū)系統(tǒng)與前驅(qū)一樣，但驅(qū)動電機選用一款大功率的電機作為主驅(qū)電機。前后兩個MCU和電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）通過CAN總線與整車控制器（Vehicle Controller Unit，VCU）連接。

雙電機驅(qū)動系統(tǒng)工作時可分為三種基本工況，分別為前驅(qū)電機單獨工作、后驅(qū)電機單獨工作、前后驅(qū)電機同時耦合工作。本文主要分析雙電機驅(qū)動系統(tǒng)的效率，不考慮減速器、傳動軸等機械傳動損耗，故雙電機驅(qū)動系統(tǒng)的整體效率可表示為：

     （1）

式中，P₂表示為雙電機的總輸出功率，即整車總需求功率；P₁表示為雙電機的總輸入功率。雙電機驅(qū)動系統(tǒng)的總輸出功率P₂和總輸入功率P₁可分別表示為：

   （2）

   （3）

式中，P_t表示前驅(qū)電機輸出功率；P_r表示后驅(qū)電機輸出功率；n_f表示前驅(qū)電機效率；n_r表示后驅(qū)電機效率；P_ro表示后驅(qū)電機空載損耗；P_fo表示前驅(qū)電機空載損耗。

根據(jù)電機功率與轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的關(guān)系式，式（2）、式（3）可轉(zhuǎn)化為：

（4）

（5）

式中，n_t表示前驅(qū)電機轉(zhuǎn)速；n_r表示后驅(qū)電機轉(zhuǎn)速；表示扭矩分配系數(shù)，即后驅(qū)電機分配轉(zhuǎn)矩占總需求扭矩的比例。

因前、后驅(qū)電機匹配的減速器速比不同，為了減少變量，前、后驅(qū)電機的轉(zhuǎn)速可以統(tǒng)一采用整車車速表示：

   （6）

式中，V表示整車的車速；r_r表示整車輪胎的滾動半徑；i表示減速器的減速比。

基于雙電機驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)原則，雙驅(qū)系統(tǒng)的最優(yōu)效率可表示為：

   （7）

式中，i_f表示前減速器速比；i_r表示后減速器速比。  

2    雙電機驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)

本文基于當前市場上主流的永磁同步電機和異步感應電機作為驅(qū)動電機，前驅(qū)系統(tǒng)采用小功率電機，后驅(qū)系統(tǒng)采用大功率電機，分別各選取一款永磁同步電機和異步感應電機，電機的相關(guān)參數(shù)如表1所示，電機的效率MAP如圖2所示，其中電機的效率指電機和其匹配的電機控制器的系統(tǒng)效率。

表1 驅(qū)動電機性能參數(shù)

（a）前驅(qū)永磁同步電機    

（b）前驅(qū)異步感應電機

（c）后驅(qū)永磁同步電機

（d）后驅(qū)異步感應電機

圖2 驅(qū)動電機系統(tǒng)效率MAP

雙電機驅(qū)動系統(tǒng)中，為保證效率最優(yōu)，存在較多的單電機運行工況，因驅(qū)動系統(tǒng)與傳動軸之間無離合器，此時不工作的電機仍處于被動拖動旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，這就需要考慮電機在空載時的損耗。異步感應電機的空載損耗與轉(zhuǎn)速無關(guān)，是一個恒定值，本文前驅(qū)系統(tǒng)感應電機的空載損耗為0.056kW，后驅(qū)系統(tǒng)感應電機的空載損耗為0.08kW。永磁同步電機的空載損耗與轉(zhuǎn)速成正比，其空載損耗隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大，具體見圖3所示。

圖3 永磁同步電機空載損耗

本文設(shè)計的雙電機驅(qū)動系統(tǒng)搭載在一款SUV車型進行分析。前驅(qū)小功率電機轉(zhuǎn)速低，匹配一款減速比較小的單級減速器，后驅(qū)大功率電機轉(zhuǎn)速高，匹配一款減速比較大的單級減速器，保證整車滿足最高車速的要求，具體相關(guān)的整車參數(shù)見表2所示。

表2 整車參數(shù)

3  基于效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩分配策略仿真

根據(jù)前文建立的數(shù)學模型，利用驅(qū)動系統(tǒng)的效率MAP，對整車不同車速、不同扭矩負荷下的扭矩分配系數(shù)和效率進行最優(yōu)求解，可以得到整車全工況范圍內(nèi)的基于效率最優(yōu)的扭矩分配策略^[17]。同時對不同類型的前、后驅(qū)動電機交叉組合進行分析，進一步求出最優(yōu)組合方案。

3.1  前驅(qū)永磁、后驅(qū)永磁

前驅(qū)采用小功率永磁同步電機、后驅(qū)采用大功率永磁同步電機，通過仿真計算，得到的整車全工況范圍內(nèi)的最優(yōu)扭矩分配系數(shù)如圖4所示。根據(jù)仿真結(jié)果，后驅(qū)大功率電機作為主驅(qū)動電機，前驅(qū)小功率電機作為補充。整車全工況范圍最優(yōu)扭矩分配系數(shù)平均值為0.7，即后驅(qū)系統(tǒng)平均扭矩輸出占比在整車全工況范圍內(nèi)達到70%。整車全車速段可用扭矩范圍內(nèi)的最優(yōu)效率如圖5所示，最優(yōu)平均效率為88.8%。

圖4 整車最優(yōu)扭矩分配系數(shù)

圖5 整車最優(yōu)效率MAP

3.2  前驅(qū)永磁、后驅(qū)感應

前驅(qū)采用小功率永磁同步電機、后驅(qū)采用大功率異步感應電機，通過仿真計算，得到的整車全工況范圍內(nèi)的最優(yōu)扭矩分配系數(shù)如圖6所示。因感應電機的特性決定其整體效率低于永磁電機，根據(jù)仿真結(jié)果，當整車需求扭矩較小時（100N·m以內(nèi)），主要由前驅(qū)永磁電機單獨工作，扭矩需求較大時，仍以前驅(qū)永磁電機輸出為主，后驅(qū)感應電機作為補充。整車全工況范圍最優(yōu)扭矩分配系數(shù)平均值僅為0.35，即后驅(qū)感應電機平均扭矩輸出占比僅為35%。整車全車速段可用扭矩范圍內(nèi)的最優(yōu)效率如圖7所示，最優(yōu)平均效率為86.9%。

圖6 整車最優(yōu)扭矩分配系數(shù)

圖7 整車最優(yōu)效率MAP

3.3  前驅(qū)感應、后驅(qū)永磁

前驅(qū)采用小功率異步感應電機、后驅(qū)采用大功率永磁同步電機，通過仿真計算，得到的整車全工況范圍內(nèi)的最優(yōu)扭矩分配系數(shù)如圖8所示。根據(jù)仿真結(jié)果，整車全工況范圍最優(yōu)扭矩分配系數(shù)平均值為0.86，后驅(qū)系統(tǒng)永磁電機平均扭矩輸出占比在整車全工況范圍內(nèi)高達86%，受限于感應電機整體效率偏低，僅少部分大扭矩工況后驅(qū)永磁電機扭矩不足時由前驅(qū)補充。整車全車速段可用扭矩范圍內(nèi)的最優(yōu)效率如圖9所示，最優(yōu)平均效率為88.5%。

圖8 整車最優(yōu)扭矩分配系數(shù)

圖9 整車最優(yōu)效率MAP

3.4  前驅(qū)感應、后驅(qū)感應

前驅(qū)采用小功率異步感應電機、后驅(qū)采用大功率異步感應電機，通過仿真計算，得到的整車全工況范圍內(nèi)的最優(yōu)扭矩分配系數(shù)如圖10所示。根據(jù)仿真結(jié)果，整車全工況范圍最優(yōu)扭矩分配系數(shù)平均值為0.52，前、后驅(qū)系統(tǒng)平均扭矩輸出各占一半。整車全車速段可用扭矩范圍內(nèi)的最優(yōu)效率如圖11所示，最優(yōu)平均效率為84.5%。

圖10 整車最優(yōu)扭矩分配系數(shù)

圖11 整車最優(yōu)效率MAP

根據(jù)四種前、后驅(qū)電機組合方案仿真分析結(jié)果，前后雙永磁電機和前驅(qū)感應后驅(qū)永磁兩個方案整體效率最優(yōu)，兩個方案均采用后驅(qū)大功率永磁電機作為主驅(qū)動電機，充分利用永磁電機效率高的優(yōu)勢。前驅(qū)永磁后驅(qū)感應方案，通過前后扭矩分配策略的調(diào)整，使前驅(qū)永磁電機作為主驅(qū)電機，能夠彌補一部分因感應電機效率偏低帶來的能耗損失。雙感應電機整體效率偏低，不具備優(yōu)勢。

圖12  NEDC循環(huán)工況

4  NEDC工況性能分析

NEDC（New Europe Driving Cycle）工況是歐洲的汽車續(xù)航測試標準，我國的電動汽車綜合續(xù)航里程測試也采用了NEDC測試標準。圖12所示為一個NEDC循環(huán)工況，其由4個市區(qū)循環(huán)和1個郊區(qū)循環(huán)組成。圖13所示為改款車型NEDC工況下全車速范圍內(nèi)的扭矩需求，可見NEDC工況下對扭矩的需求比較低，全車速段低于90N·m。

圖14所示為四種前后驅(qū)系統(tǒng)電機組合方案NEDC工況下對應的效率分布，前驅(qū)永磁后驅(qū)永磁、前驅(qū)永磁后驅(qū)感應、前驅(qū)感應后驅(qū)永磁、前驅(qū)感應后驅(qū)感應四個方案對應的NEDC工況下的電機平均效率分別為85.7%、89%、87.9%、83.4%。因NEDC工況下對整車的扭矩需求較小，前驅(qū)小功率永磁電機匹配后驅(qū)大功率感應電機方案，采用小功率永磁電機作為主驅(qū)，充分利用永磁電機的高效區(qū)，同時感應電機具有空載損耗低的特點，其NEDC工況下的綜合效率最高。雙感應電機的方案因整體效率偏低仍不具備優(yōu)勢。

圖13  NEDC工況下需求扭矩分布

5  結(jié)論

本文首先對雙電機驅(qū)動系統(tǒng)的構(gòu)型進行了簡單的介紹并建立了雙電機驅(qū)動系統(tǒng)扭矩分配策略的數(shù)學模型。在考慮空載損耗的基礎(chǔ)上基于總體效率最優(yōu)的原則仿真分析了當前市場主流的兩種不同類型驅(qū)動電機在雙驅(qū)系統(tǒng)中的組合應用，得到每個方案對應的最優(yōu)扭矩分配系數(shù)及最優(yōu)效率。最終，根據(jù)整車NEDC工況特性，分析了每個方案在NEDC工況下的效率表現(xiàn)。根據(jù)上述分析，得出如下結(jié)論，為雙電機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計選型提供了一定的參考價值。

1) 雙驅(qū)系統(tǒng)采用一個大功率永磁同步電機作為主驅(qū)時，匹配小功率永磁同步電機和異步感應電機均可獲得較好的效率。本文方案中大功率永磁同步扭矩輸出占比分別為70%、86%時整車全工況范圍內(nèi)平均效率可達到88.5%以上；

2) NEDC工況下整車對扭矩的需求較低，采用一個小功率永磁同步電機作為主驅(qū)、大功率異步感應電機作為補充時，NEDC工況下的效率最優(yōu)。本文方案中的NEDC平均效率可達到89%。

3) 由于異步感應電機效率整體偏低，由雙異步感應電機組成的雙電機驅(qū)動系統(tǒng)各工況下的效率均低于有永磁同步電機參與的雙驅(qū)系統(tǒng)。

圖14  NEDC工況電機效率分布

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（注：本文刊登于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年11期）