李仲興，王吳杰，徐 興,2，蔣 侃，陳 龍,2

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇大學汽車工程研究院，鎮(zhèn)江 212013)

2016163

四輪獨立驅動電動汽車能效分析與功率分配*

李仲興1，王吳杰1，徐 興1,2，蔣 侃1，陳 龍1,2

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇大學汽車工程研究院，鎮(zhèn)江 212013)

本文中分析了四輪獨立驅動電動汽車樣車的結構與原理，利用快速原型建立了分布式整車控制系統(tǒng)架構。通過輪轂電機及其控制器與樣車的臺架試驗和底盤測功機道路模擬試驗，得到了輪轂電機的轉矩響應特性和能量效率曲線，采用最小二乘法擬合驅動電機控制規(guī)律。與此同時，鑒于輪轂電機及其控制器效率的非線性和在轉矩區(qū)間的差異，提出了一種減少整車能量消耗的前后軸驅動力分配方法，并進行了樣車道路試驗。結果表明，通過驅動力分配進行整車能量優(yōu)化，不同行駛速度下能效最大改善超過10%，優(yōu)化驅動模式可進一步降低整車能耗。

電動汽車；四輪獨立驅動；能量特性；功率分配

前言

相對于混合動力汽車(包括插電式混合動力汽車)和純電動汽車，四輪獨立驅動電動汽車具有獨特的優(yōu)勢：(1)各車輪相對獨立，無需變速器、差速器及半軸等機械連接；(2)安裝于各個車輪內部的輪轂電機可以獨立控制，從而可較容易實現如防抱死(ABS)和牽引力控制(TCS)等車輛穩(wěn)定性控制策略[1-2]；(3)各輪轂電機的高速響應特性及相互獨立優(yōu)勢，為整車能量優(yōu)化提供了新的可能。

目前，國內外對四輪獨立驅動電動汽車的整車性能及效率特性的分析研究還較少。國外方面，文獻[3]～文獻[5]中開發(fā)了四輪獨立電機驅動的電動汽車“UOT March-II”，主要研究了四輪獨立驅動汽車的穩(wěn)定性控制，以不同的橫擺率控制策略實現穩(wěn)定性控制和最優(yōu)牽引力分配。文獻[6]中研究了輪轂電機驅動電動汽車乘坐舒適性與安全性強化系統(tǒng)，通過分析車輛不同系統(tǒng)間的關系及對驅動轉矩的需求調節(jié)懸架系統(tǒng)，從而保證良好的乘坐舒適性和安全性。文獻[7]中搭建了四輪獨立驅動電動汽車樣車，研究了輪轂電機及其控制器在驅動和制動兩種模式下的轉矩響應特性和能量效率，分析了四輪獨立驅動電動汽車能量優(yōu)化的可行性。

國內方面，一些高校也進行了四輪輪轂電機獨立驅動電動汽車的研究。文獻[8]和文獻[9]中開發(fā)了四輪驅動四輪轉向電動汽車，研究了多模式轉向運動并基于電機效率圖研究了驅動力優(yōu)化控制方法。文獻[10]～文獻[12]中基于自主開發(fā)的“春暉”和“登峰”系列四輪輪轂電機驅動汽車，進行車輪側偏剛度估計、車輛運動狀態(tài)估計和路面附著系數估計，運用LQR和WLS算法研究電機力矩分配控制。文獻[13]和文獻[14]中自主開發(fā)了一款四輪輪轂電機驅動、四輪轉向電機轉向和四輪電磁制動器制動的全線控電動汽車，主要研究了電動汽車底盤集成控制方法。

四輪獨立驅動電動汽車能量優(yōu)化是一個重要的研究方向，而輪轂電機及其控制器的轉矩響應特性和能量特性是分析四輪獨立驅動電動汽車效率特性的基礎。由于輪轂電機效率曲線的非線性，可從整車需求轉矩分配方式角度進行四輪獨立驅動電動汽車能量優(yōu)化。通過實車道路試驗分析了能量優(yōu)化的可行性，為進一步基于輪轂電機效率曲線進行整車驅動能量優(yōu)化打下基礎。

1 四輪獨立驅動電動汽車架構

為更好地研究四輪獨立驅動電動汽車的整車特性，基于市場上已有的某款純電動汽車，研發(fā)了一輛四輪獨立驅動試驗樣車，如圖1所示。為實現四輪獨立驅動，該樣車各車輪處各配有一個3kW的輪轂電機作為驅動電機，如圖2所示?？紤]到電機功率密度、體積、輕量化和價格等方面的因素，選用永磁無刷直流電機作為輪轂電機[15]。樣車及部分零部件的主要參數如表1所示。

裝有4個輪轂電機的試驗樣車，通過對各個輪轂電機控制器給出不同的控制信號，可實現各輪獨立控制。輪轂電機控制器有效控制信號的電壓區(qū)間為1～3V，對應輪轂電機的轉矩響應區(qū)間。一組72V的磷酸鐵鋰電池組是整車唯一供電裝置，電池包中的電池管理系統(tǒng)時刻監(jiān)測電池組狀態(tài)；通過DC/DC轉換器將動力電池組72V電壓降壓至12V，為樣車上其他用電設備供電。為分析4個輪轂電機的工作狀態(tài)，利用1個電壓傳感器和4個電流傳感器分別監(jiān)測4個輪轂電機控制器的輸入電壓和輸入電流。安裝于輪轂電機處的齒輪輪速傳感器(見圖2)，根據檢測到的齒輪數發(fā)送的脈沖信號，可獲得車輪轉速。為分析整車運行狀態(tài)，利用車頂部的高精度GPS和慣性導航設備(見圖1)時刻采集車輛位置和車身姿態(tài)。圖3為研發(fā)的四輪獨立驅動電動汽車樣車整車結構。

圖1 四輪獨立驅動電動汽車樣車

圖2 輪轂電機及輪速傳感器

參數數值整車質量/kg710迎風面積/m20.87輪轂電機質量/kg18.6輪轂電機額定功率/kW3輪轂電機最大轉矩/(N·m)150輪轂電機最大轉速/(r·min-1)750車輪有效半徑/m0.245電池電壓/V72電池額定容量/(A·h)140

圖3 四輪獨立驅動電動汽車樣車結構

基于Matlab/Simulink快速原型設計上層整車控制器，協調下層4個輪轂電機控制器，并通過CAN總線采集所有的控制信號和傳感器信號，如圖4所示。利用模擬量和頻率量輸入通道采集車輛傳感器數據并實時分析處理，求解出控制信號通過PWM輸出通道輸出，以控制各輪轂電機控制器。由于輪轂電機控制器控制信號為模擬量，設計了PWM/模擬量轉換模塊進行控制量轉化，實現輪轂電機控制器與快速原型的輸入輸出匹配。利用該快速原型的CAN總線通道，通過一臺筆記本電腦可實時監(jiān)測并記錄車輛所有的控制信號和狀態(tài)信號。

圖4 上層控制原理

2 驅動電機特性與控制規(guī)律分析

輪轂電機及其控制器的轉矩響應特性對四輪獨立驅動汽車控制尤為重要。單一動力源的傳統(tǒng)汽車、混合動力汽車和純電動汽車，都配備了機械式差速裝置，以保證車輛在轉彎等工況下內外車輪不同轉速的需求。而四輪獨立驅動電動汽車，各車輪間無差速器連接，但在轉彎等工況下同樣要求其內外各車輪滿足一定的轉速和轉矩關系，各輪輪轂電機必須能響應各自的轉矩和轉速控制需求。因此，在無法直接獲取車輛車輪轉矩的條件下，獲得輪轂電機轉速和轉矩對控制信號的響應十分必要。

2.1 電機特性試驗設置

將輪轂電機控制器和電機本體作為一個整體，輸入控制信號、輸出電機轉矩和轉速。輪轂電機特性試驗中，輪轂電機控制器的給定信號從1V開始，以0.2V的步長增加至3V。輪轂電機特性測試臺架如圖5所示，輪轂電機、轉速轉矩傳感器和磁粉制動器通過夾具固定在底座上，保證水平高度一致；三者之間通過聯軸器連接，滿足其同軸度要求。磁粉制動器用于施加負載，轉速轉矩傳感器用于測量不同給定控制信號下輪轂電機的轉速和轉矩。此外，選用迪卡儂電池測試系統(tǒng)作為恒壓源給輪轂電機提供穩(wěn)定的72V電壓。

圖5 輪轂電機特性測試臺架

2.2 電機特性分析

圖6為輪轂電機的功率隨不同的給定控制信號和轉矩而變化的曲面。由圖可見，輪轂電機最大功率近6kW。圖7為輪轂電機的電流隨不同的給定控制信號和轉矩而變化的曲面。由圖可見，輪轂電機電流隨著轉矩的增加而增大，且逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于輪轂電機控制器具有功率限制的功能，當輪轂電機控制器輸入功率達到限制值時，便趨于穩(wěn)定不再增加防止輪轂電機損壞，這同時解釋了圖6輪轂電機功率曲面類似的趨勢。

圖6 輪轂電機功率

圖7 輪轂電機電流

輪轂電機輸出功率與其控制器輸入功率的比值為輪轂電機能量效率，圖8為不同控制器給定信號下，輪轂電機能量效率隨轉矩的變化曲面。由圖可見：相同控制器給定信號下，輪轂電機效率隨著轉矩的增大而增大，達到最大效率點后開始逐漸降低；而在相同轉矩下，隨著控制器給定信號的增大而增大，最大效率可達80%。通過對試驗數據進行插值，可得輪轂電機MAP圖。

圖8 輪轂電機能量效率

2.3 基于最小二乘法的電機控制規(guī)律擬合

圖9為輪轂電機轉矩在不同的控制信號下隨轉速變化的曲面。由圖可見：相同轉速下輪轂電機轉矩隨著控制信號的增加而增加；而同一控制信號下，輪轂電機轉速隨著轉矩增加而減小。為了獲得不同控制信號下輪轂電機轉矩與轉速的響應特性，利用最小二乘法對試驗數據進行多項式擬合，以獲得輪轂電機控制規(guī)律。

圖9 輪轂電機轉矩

設輪轂電機轉矩與轉速關系的擬合多項式最高次數為n，其擬合關系式可表示為

(1)

式中：j為多項式次數；Kj為j次多項式系數；T為輪轂電機轉矩；ω為輪轂電機角速度。

利用多項式Pn(ω)擬合輪轂電機及其控制器臺架試驗獲得的轉速和轉矩數據(ωi，Ti)，i=1,2,…,n,則擬合結果與實際測量值之間的誤差ri可表示為

ri=Pn(ωi)-Ti

(2)

利用誤差的平方和表征擬合精度，使擬合精度最高，即求

(3)

通過試驗數據分析發(fā)現，同一控制信號下，輪轂電機轉矩與轉速呈一次比例關系，故用一次多項式即可較好的擬合試驗數據，擬合多項式為

T=K1ω+K2

(4)

對式(1)中的系數K1和K2再次進行多項式擬合，發(fā)現利用二次多項式可較好地進行擬合，故可得關于K1和K2的擬合多項式為

K1=K11v2+K12v+K13

(5)

K2=K21v2+K22v+K23

(6)

式中v為控制信號。

根據試驗數據和擬合曲線得到的輪轂電機及其控制器控制信號、轉矩和轉速三者的關系曲面如圖10所示。

圖10 不同控制信號電機轉矩-轉速變化曲線

3 四輪獨立驅動電動汽車能效分析

能量利用率的高低直接影響了四輪獨立驅動電動汽車能量消耗率以及續(xù)駛里程。上文已分析了電池輸入至輪轂電機輸出的能量轉換效率，這主要取決于輪轂電機及其控制器本身的性能。此外，輪胎滾動時與路面間存在摩擦損失，這將影響電池輸入至車輪驅動輸出的能量轉換效率；四輪驅動時各驅動電機所處的效率區(qū)間同樣也會影響整車的能量效率。

3.1 驅動輪效率分析

為了研究驅動輪的驅動效率即電池輸入至車輪輸出的能量轉換效率，利用底盤測功機進行了四輪獨立驅動樣車的ECE城市循環(huán)工況試驗和加速踏板定開度勻速試驗。該試驗中，底盤測功機用于模擬道路，對架于底盤測功機轉鼓上的兩前輪輪轂電機控制器給以一定的控制信號來驅動樣車。ECE城市循環(huán)工況中車速和控制信號隨時間變化的曲線如圖11所示，電池的電壓和電流隨時間變化的曲線如圖12所示。圖11中，控制信號的最小值不為零，這是因為加速踏板具有初始電壓，而輪轂電機及其控制器的響應電壓為0.9V，故在0～0.9V控制信號區(qū)間速度無變化；對比目標車速與實際車速發(fā)現，實際車速可以較好地跟蹤目標車速，車輛驅動性能良好。圖12中，電流在車輛急加速時出現明顯的尖峰，此時電機的效率是極低的，但電流值隨著車速的穩(wěn)定而減小并趨于穩(wěn)定。

圖11 車速及輪轂電機控制信號曲線

圖12 道路模擬試驗電池組電流和電壓曲線

由于輪胎摩擦損失的存在，電池輸入至車輪輸出相比于電機輸出的能量轉換效率總是要低，在40km/h車速時最大效率僅有67.5%，較低車速15.2km/h時為58.3%，如表2所示。表2中，效率隨著車速的增高先增大后減小，這與圖8輪轂電機效率特性曲面在小轉矩驅動時，四輪獨立驅動樣車的能量利用率較低的結論相符。發(fā)揮四輪獨立驅動電動汽車各輪獨立可控的優(yōu)勢，盡可能地使每個輪轂電機都工作在高效率區(qū)間，則可優(yōu)化整車能量利用率并增大續(xù)駛里程。

表2 勻速試驗驅動效率

3.2 整車能效分析

根據上述討論分析可知，整車在低轉矩區(qū)間行駛時能量利用率較低。4個輪轂電機驅動時消耗的總功率為

(7)

根據驅動時的效率ηi定義可得

(8)

式中：U為電池電壓；Ii為輪轂電機消耗的電池電流；i=fl，fr，rl，rr，分別代表前左、前右、后左、后右車輪(下同)。從而，各輪轂電機消耗的功率為

(9)

式中輪轂電機效率ηi是電機轉速與轉矩的函數，可通過圖8中效率試驗數據擬合得到。四輪獨立驅動電機輸出轉矩必須滿足整車驅動要求：

Tx=Tfl+Tfr+Trl+Trr=Tf+Tr

(10)

式中：Tx為達到縱向目標車速電機所需提供的總驅動轉矩；Tf為前軸提供的驅動轉矩；Tr為后軸提供的驅動轉矩。

從而，整車能量優(yōu)化問題可轉變?yōu)榍笄昂筝S的驅動轉矩使得所消耗的功率最低。在一給定車速下，前后軸所消耗的電池功率可表示為

(11)

為使前后軸消耗的電池功率最低，則必須選擇合適的Tf*和Tr*，Tf*和Tr*分別為優(yōu)化后的前軸和后軸驅動轉矩，則式(11)可改寫為

(12)

每個電機的參考轉矩不能超過其所能提供的最大轉矩Tmax，所以ΔT必須滿足：

(13)

在特定轉速下，已知效率η關于電機轉矩的函數式，則可求得Tf*和Tr*使得功率P最小。Tf*和Tr*的選取不一定需要實時在線計算，也可根據試驗數據離線計算好ΔT關于轉矩和轉速的數據表供查詢。

考慮前后軸分配的極限情況，即僅用前軸驅動或僅用后軸驅動，討論相同車速下與四輪驅動時的消耗功率進行對比。通過樣車的道路勻速直線試驗發(fā)現，以相同車速行駛時，僅用后軸兩輪驅動所消耗的功率要低于四輪驅動所消耗的功率，如圖13所示。7個車速下能耗分別降低2.2%，12.5%，10%，8.33%，10%，2.86%和5%，以10km/h的較低車速行駛時，四輪驅動與后輪驅動所消耗的功率差不多，這主要是因為輪轂電機在較低轉速時的效率較低，如圖8輪轂電機效率曲面所示。單獨前軸驅動或是后軸驅動是前后軸驅動力分配的極限情況，故能量消耗降低并不明顯，但說明了優(yōu)化前后軸驅動力分配可提高整車能量效率。

圖13 四驅與雙驅消耗功率對比

4 結論

(1) 輪轂電機及其控制器能量特性表明，在低轉速和低轉矩區(qū)間內，輪轂電機及其控制器的能量效率較低。

(2) 基于最小二乘法原理得到的輪轂電機控制規(guī)律，可以較好地反映輪轂電機轉矩響應特性。

(3) 利用輪轂電機及其控制器的效率特性的非線性和在不同轉矩區(qū)間的差異性，進行四輪獨立驅動電動汽車驅動力分配，可優(yōu)化整車能量利用率。

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Energy Efficiency Analysis and Power Distribution of Four-wheelIndependent Drive Electric Vehicles

Li Zhongxing1, Wang Wujie1, Xu Xing1,2, Jiang Kan1& Chen Long1,2

1.SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013;2.AutomotiveEngineeringResearchInstitute,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013

In this paper, the structure and principle of a four-wheel independent drive electric vehicle prototype are analyzed and rapid prototyping technology is applied to the creation of the architecture of vehicle distributed control system. Through the bench tests and road simulation test with dynamometer on hub motor and its controller and prototype, the torque response characteristics and energy efficiency curves of hub motor are obtained, and the control law of drive motor is fitted by using least squire method. In addition, in view of the nonlinearity and difference in different torque intervals of the efficiencies of hub motor and its controller, a method of driving forces distribution between front and rear axles is proposed for reducing energy consumption of vehicle, and the road tests on prototype vehicle are conducted. The results show that the vehicle energy optimization through driving force distribution can improve energy efficiency by over 10% at most at different driving speeds, and drive mode optimization can further lower the energy consumption of vehicle.

electric vehicle; four wheel independent drive; energy characteristics; power distribution

*江蘇省“六大人才高峰”項目(2014-JXQC-004)、中國博士后科學基金(2015M571680)和江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃(CXLX13_677)資助。

原稿收到日期為2015年7月31日。