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電動汽車雙電機驅(qū)動系統(tǒng)扭矩分配策略研究

作者:姚學松 杭孟荀,沙文瀚(奇瑞新能源汽車股份有限公司) 時間:2020-11-16 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
編者按:針對電動汽車雙電機驅(qū)動系統(tǒng)扭矩分配策略問題,建立了雙電機驅(qū)動系統(tǒng)扭矩分配策略的數(shù)學模型,分析了不同類型驅(qū)動電機的效率特性及空載損耗?;诳傮w效率最優(yōu)的原則仿真分析了兩種不同類型驅(qū)動電機在雙驅(qū)系統(tǒng)中的組合應用,得到各方案對應的最優(yōu)扭矩分配系數(shù)及最優(yōu)效率,并根據(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)。結(jié)果表明,大功率永磁同步電機匹配小功率永磁或感應電機時整車全工況平均效率最優(yōu),NEDC工況下小功率永磁同步電機匹配大功率異步感應電機效率最優(yōu)。


本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/202011/420333.htm

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,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、等方法[8-10],其中結(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]基于電機和電池設(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。

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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:

image.png     (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:

image.png   (2)

image.png   (3)

式中,Pt表示前驅(qū)電機輸出功率;Pr表示后驅(qū)電機輸出功率;nf表示前驅(qū)電機效率;nr表示后驅(qū)電機效率;Pro表示后驅(qū)電機空載損耗;Pfo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:

image.png(4)

image.png(5)

式中,nt表示前驅(qū)電機轉(zhuǎn)速;nr表示后驅(qū)電機轉(zhuǎn)速;image.png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:

image.png   (6)

式中,V表示整車的車速;rr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:

1605512675936866.png   (7)

式中,if表示前減速器速比;ir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)

性能參數(shù)

前驅(qū)系統(tǒng)

后驅(qū)系統(tǒng)

永磁

感應

永磁

感應

峰值功率/kW

42

40

95

100

峰值轉(zhuǎn)矩/N·m

150

150

250

260

最高轉(zhuǎn)速/ r·min-1

8200

9000

12000

12000

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(a)前驅(qū)永磁同步電機    

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(b)前驅(qū)異步感應電機

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(c)后驅(qū)永磁同步電機

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(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。

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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)

性能參數(shù)

輪胎滾動半徑rr/m

0.307

前減速器速比if

7.7

后減速器速比ir

9.114

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[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%。

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圖4 整車最優(yōu)扭矩分配系數(shù)

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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%。

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圖6 整車最優(yōu)扭矩分配系數(shù)

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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%。

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圖8 整車最優(yōu)扭矩分配系數(shù)

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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%。

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圖10 整車最優(yōu)扭矩分配系數(shù)

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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。

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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。

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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)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)。

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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)



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