杜萬亮 李勇 解德杰 吳昊洋 陳文鵬

摘 要：與集中式驅(qū)動相比，輪邊分布式驅(qū)動省去了變速器、傳動軸、機械差速器、半軸等部件，把電機移動到車輪側(cè)，使其傳動結(jié)構(gòu)變得更為簡單。本方案整車為電池與增程器并聯(lián)的電驅(qū)動車輛，驅(qū)動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)的參數(shù)需要與工況和性能指標進行匹配設計。整車控制器通過控制多個電機來實現(xiàn)牽引和差速，整車電磁環(huán)境復雜、對電機控制系統(tǒng)的動態(tài)響應要求較高。本文根據(jù)混合動力輪邊分散驅(qū)動的特點，綜合整車工況、輕量化和機動性要求高的需求優(yōu)化系統(tǒng)資源配置，進行電池和增程器系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)與整車性能與動力需求的匹配分析，主要完成了電機及驅(qū)動器的參數(shù)匹配、基于有限元的電磁方案優(yōu)化、采用矢量控制算法提升系統(tǒng)的性能、采用緊湊化的電機結(jié)構(gòu)和雙模塊的控制器機殼以輕量化、采用模塊化的FlexRay通信方案，進行了電機及驅(qū)動器的樣機試制和裝車試驗，獲得良好的綜合性能滿足整車需求。

關鍵詞：混合動力;分散驅(qū)動;矢量控制;有限元;FlexRay;參數(shù)匹配;輕量化

1 整車特性

1.1 整車需求

整車為四輪獨立驅(qū)動輪架可調(diào)姿混合動力車輛，為滿足全地形高通過性的要求，有原地轉(zhuǎn)向、越野、最高速、越壕、側(cè)傾坡行駛、越障、大坡度爬坡、松軟路面、越野平均速度和續(xù)航里程等的基本功能和性能要求。原地轉(zhuǎn)向、越障、越壕、爬坡工況的動力性能分析需要與車身姿態(tài)調(diào)節(jié)相匹配實現(xiàn)。

1.2 整車特性設計

1.2.1 牽引力計算考慮因素

根據(jù)整車動力學的仿真，進行整車阻力和動力性的分析實現(xiàn)整車牽引力的設計。在動力學仿真的基礎上，電驅(qū)動系統(tǒng)的設計根據(jù)整車動力性能要求綜合整車電源系統(tǒng)資源配置校核整車的加減速和爬坡和原地轉(zhuǎn)向等工況性能[1]。

根據(jù)車輛行駛動力學理論[2]，車輛行駛阻力主要分為滾動摩擦阻力、坡道阻力、加速阻力和迎風阻力，可表示為：

其中：

F-整車牽引力;f-輪胎與地面之間的滾動阻力系數(shù);φ（f）-路面平均附著系數(shù);ms-整車質(zhì)量;α-坡道角度;δ-等效轉(zhuǎn)動慣量;a-車輛加速度;CD-迎風阻力系數(shù);A-迎風面積;v-車速。

1.2.2 牽引力及功率計算

綜合考慮整車的質(zhì)心和整車姿態(tài)的調(diào)節(jié)、電機負荷不均的程度、輪胎在各地面的附著能力分別進行原地轉(zhuǎn)向所需牽引力和爬坡動力的計算。經(jīng)計算分析，滿足大爬坡度的要求時整車牽引力需求最大。

整車在越野路面滿載下按越野30km/h速度并留有剩余加速度進行額定功率定額;最大功率按照滿足最高車速、大爬坡基礎上，綜合校核整車的加減速性能、電源系統(tǒng)容量、制動性能和制動電阻的吸收能力等綜合確定。

2 電驅(qū)動系統(tǒng)方案設計

綜合考慮電機及驅(qū)動器的尺寸、重量限制的要求，采用緊湊化的電機結(jié)構(gòu)和雙模塊的控制器機殼并采用鋁合金材料。針對整車的低速過載頻繁、過載轉(zhuǎn)矩倍數(shù)大的特性[3-4]，綜合電機的電磁方案和矢量控制算法降低低速過載下的銅耗，改善低速過載下電機的發(fā)熱;為了滿足整車的靜默行駛動力性能要求，優(yōu)化電機與驅(qū)動器的電壓設計特性并采用過調(diào)制策略保證高速的動力輸出;為了滿足多輪獨立驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩輸出的實時性要求，電機驅(qū)動器與多輪獨立驅(qū)動控制器間采用模塊化的FlexRay通信方案[5]。

2.1 電機電磁方案設計

基于Ansoft軟件進行內(nèi)置式永磁同步電機的電磁方案設計[3，6，7]，利用有限元分析軟件進行主要參數(shù)提取和校核各工況下電機磁負荷，采用場路結(jié)合的方法進行電機電磁方案設計。采用高磁負荷的電磁方案設計[8]。

2.2 驅(qū)動器方案設計

2.2.1 結(jié)構(gòu)設計

采用兩個驅(qū)動模塊共用冷卻水道、直流進出線及母排、薄膜電容、低壓轉(zhuǎn)接電路的雙模塊的控制器機殼。模塊化的FlexRay通信板卡通過支座安裝在驅(qū)動器的控制板上。

2.2.2 控制算法仿真

基于永磁同步電機的數(shù)學模型和轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制原理[9]，結(jié)合電機的方案設計進行永磁同步電機及其控制算法的仿真[10]，利用Simulink建立了永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真模型。

基于simulink搭建的仿真模型見圖1。模型具備最大轉(zhuǎn)矩電流比控制、高速弱磁控制、電壓空間矢量調(diào)制（SVPWM）的基本實現(xiàn)方式，并考慮到高磁負荷的電機方案進行電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器飽和的影響分析，并進行了電機磁飽和補償?shù)乃惴ǚ抡骝炞C。

某工況整車運行下電驅(qū)動系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖2。在整個過程中電機都工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，采用最大轉(zhuǎn)矩電流比的控制算法，仿真的電流分配與轉(zhuǎn)矩輸出與電機的設計相一致。

2.2.3 通信設計

為了減少電磁干擾對系統(tǒng)正常工作產(chǎn)生的影響、增加多輪獨立驅(qū)動的實時性，采用新一代車載網(wǎng)絡FlexRay代替CAN網(wǎng)絡為多輪獨立驅(qū)動與各電機驅(qū)動器的通信網(wǎng)絡。采用模塊化的設計和FlexRay通信子卡實現(xiàn)多輪獨立驅(qū)動器與四個電機驅(qū)動器的FlexRay局部組網(wǎng)。利用板卡與電機驅(qū)動器實現(xiàn)FlexRay網(wǎng)絡的節(jié)點通信，只需簡單的讀寫RAM區(qū)數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)FlexRay通信，采用雙通道冗余模式，接收到更新的新數(shù)據(jù)后將置相應數(shù)據(jù)位，通知用戶提取數(shù)據(jù)。FlexRay總線默認波特率：5Mbps。

FlexRay子卡和外面控制器的連接如圖3所示。

2.3 分散驅(qū)動的特殊要求

本項目采用多電機驅(qū)動，系統(tǒng)輸出的功率富余量比較大，但應考慮電機的負荷不均的發(fā)熱影響、因工況和輪載荷的差異需要較大的轉(zhuǎn)矩輸出過載倍數(shù)和驅(qū)動器的峰值電流。多輪獨立驅(qū)動的防滑控制需要根據(jù)整車的工況和動力性能同電機驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩變化率進行配合設計和聯(lián)合調(diào)試確定。因多電機驅(qū)動整車的電磁環(huán)境更復雜，整個驅(qū)動系統(tǒng)應考慮電磁干擾的影響，從電驅(qū)動系統(tǒng)抗干擾的角度，采用 FlexRay通信方式、進行旋變信號的軟件濾波處理和容錯設計。

3 動力系統(tǒng)的匹配分析

根據(jù)整車的動力性能指標進行電驅(qū)動系統(tǒng)和動力系統(tǒng)的資源配置和參數(shù)匹配設計;電機系統(tǒng)的輸入輸出功率特性應與電池及增程器的設計相匹配，純電行駛和混合動力模式下的工況需求，應結(jié)合電機及驅(qū)動器的效率設計校核，如在大爬坡要求下需要電機系統(tǒng)在低速下輸出大轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)的損耗最大，應綜合考慮與電池容量選擇、持續(xù)過載放電能力、能量管理策略等相匹配。整車的熱管理應與驅(qū)動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)的冷卻要求相匹配。

4 樣機及試驗

電機及驅(qū)動器的樣機見圖4。進行了樣機的試驗臺測試和裝車試驗，初步試驗結(jié)果滿足使用需求。

5 結(jié)論

本文對所設計的電驅(qū)動系統(tǒng)進行了系統(tǒng)介紹，樣機進行了試驗臺測試和裝車試驗，驗證了方案設計的準確性、與電池及增程器系統(tǒng)的匹配，滿足整機性能基本要求。

本項目配套的整車全地面通過性要求高，整車的動力性能需要電驅(qū)動系統(tǒng)同車身姿態(tài)調(diào)節(jié)、輪架翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設計等相配合實現(xiàn)，還需要深入結(jié)合整車資源配置和各系統(tǒng)的參數(shù)進行試驗研究電驅(qū)動系統(tǒng)的性能及與各系統(tǒng)的匹配性，同時，需要對整車的工況和運行特點進行研究以更好地優(yōu)化系統(tǒng)的設計。

參考文獻：

[1]裝甲車輛混合動力電傳動技術（第二版）[M].北京：國防工業(yè)出版社，2016.

[2]馬德糧.新能源汽車技術[M].北京：清華大學出版社，2017.

[3]西南交通大學電機系.牽引電機[M].北京：中國鐵道出版社，1980.

[4]丁榮軍，黃濟榮.現(xiàn)代變流技術與電氣傳動[M].北京：科學出版社，2009.

[5]李菲，郭愛華，宋德星.基于FlexRay總線的通訊單元設計[J].電子技術，2012（10）：79-81.

[6]唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[7]趙博，張洪亮.Ansoft 12在工程電磁場中的應用[M].中國水利水電出版社，2013.

[8]成熹.高磁密異步牽引電機磁路計算方法[M].電力機車與城軌車輛，2010（04）：15-17.

[9]王成元，夏加寬，孫宜標.現(xiàn)代電機控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[10]黃碧霞.永磁同步電機及其控制系統(tǒng)的仿真研究[D].杭州：浙江大學，2008.