李勝琴，丁雪梅，于 博

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

電動車輛具有低排放、能源利用多元化、高效化和易實現(xiàn)智能化等特點，各國政府都制定了積極的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃推動電動車輛的技術(shù)研發(fā)和規(guī)?；瘧?yīng)用.但是提高續(xù)駛里程仍然是困擾純電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵性的難題.續(xù)駛里程除了依賴于蓄電池技術(shù)(提高電池功率密度和能量密度)外，還與動力傳動系統(tǒng)的構(gòu)型、參數(shù)匹配以及控制方法密切相關(guān).因此，高效率的傳動系統(tǒng)控制方法是提高純電動汽車?yán)m(xù)駛里程及綜合性能的重要研究方向.

國內(nèi)外許多研究機構(gòu)都在開展純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)研究，并均已取得一定的研究成果.武小花等[1]以提升純電動客車經(jīng)濟性能為目標(biāo)，提出了雙電動機耦合驅(qū)動系統(tǒng)新構(gòu)型，對2個電動機采用直接轉(zhuǎn)矩控制，實現(xiàn)多個工作模式之間的切換.韓光偉[2]提出了基于行星齒輪機構(gòu)的雙電動機耦合驅(qū)動系統(tǒng)，針對爬坡、啟動、高速、巡航等行駛工況提出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制方法，結(jié)果表明雙電動機耦合驅(qū)動系統(tǒng)效率大于80.0%工作區(qū)域面積占總工作區(qū)域面積的50.0%以上.魯振飛[3]、ZHU B.等[4]提出雙電動機耦合驅(qū)動系統(tǒng)新構(gòu)型，并基于電動機需求功率最小的原則制定了模式切分控制策略，結(jié)果表明新型雙電動機構(gòu)型純電動汽車的節(jié)能潛力達(dá)到10%左右.解少博等[5]、王勇[6]均對雙電動機驅(qū)動電動汽車的動力分配控制策略進(jìn)行了研究，提出了電動機轉(zhuǎn)矩分配策略，可以改善電動汽車的節(jié)能潛力.J.KOWAL等[7]、LIANG J.等[8]以提升整車經(jīng)濟性能為目標(biāo)，分別提出了效率最優(yōu)控制策略及電動機工作模式切換策略，結(jié)果表明控制策略節(jié)能效果較好.M.D.CARLO等[9]提出了2個電動機通過行星齒輪傳動組合的驅(qū)動方案.通過對動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化分析，該系統(tǒng)在驅(qū)動時的平均效率相對于單電動機驅(qū)動時的平均效率提升8%.在制動能量回收過程中，一個循環(huán)工況內(nèi)可以多回收1.86%的能量.

綜合國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀可知，由于節(jié)能效果較好，雙電動機耦合驅(qū)動是目前純電動汽車比較常用的動力驅(qū)動系統(tǒng)方案.但是針對實際運行工況下驅(qū)動系統(tǒng)效率的雙電動機的工作模式切換方式及動力分配控制策略研究，還相對較少.

筆者在某單電動機驅(qū)動電動汽車的基礎(chǔ)上，提出雙電動機耦合驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型，以整車驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)為控制目標(biāo)，制定多模式切換及動力分配的驅(qū)動系統(tǒng)控制策略，在保證原車動力性的基礎(chǔ)上，提高此純電動汽車的節(jié)能潛力.

1 雙電動機耦合驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型分析

1.1 雙電動機驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型

依據(jù)行星齒輪傳動機構(gòu)特性，提出雙電動機耦合驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.雙電動機耦合驅(qū)動系統(tǒng)由1套行星齒輪機構(gòu)、2個電動機(電動機M1、電動機M2)、離合器C1、離合器C2、制動器B1和制動器B2組成.其中2個電動機作為動力輸入，電動機M2與太陽輪直接連接，電動機M1通過減速齒輪與齒圈連接，行星齒輪機構(gòu)的動力由行星架輸出，行星架與驅(qū)動橋直接連接.離合器C2可以控制齒圈和太陽輪之間的連接，離合器C1可以控制電動機M1的動力輸出，制動器B1可以鎖死齒圈，制動器B2可以控制電動機M2的輸出，同時可以鎖死太陽輪.

圖1 雙電動機耦合驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型

通過離合器C1、C2和制動器B1、B2的閉合狀態(tài)實現(xiàn)4種耦合驅(qū)動工作模式，即電動機M1單獨工作、電動機M2單獨工作、雙電動機轉(zhuǎn)速耦合和雙電動機轉(zhuǎn)矩耦合，如表1所示.

表1 雙電動機耦合驅(qū)動系統(tǒng)工作模式

1.2 雙電動機構(gòu)型動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計

動力系統(tǒng)參數(shù)匹配首先依據(jù)車輛動力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行整車參數(shù)匹配，然后通過對常用工況進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計，對雙電動機功能進(jìn)行劃分，進(jìn)而確定雙電動機參數(shù).目標(biāo)車型參數(shù)及動力性指標(biāo)如下：整備質(zhì)量為1 759 kg，滿載質(zhì)量為2 140 kg，迎風(fēng)面積為2.2 m2，風(fēng)阻系數(shù)為0.335，滾動阻力系數(shù)為0.015，輪胎半徑為347 mm，軸距為2 800 mm，最高車速為170 km·h-1；100 km加速時間為8 s，最大爬坡度為30%(車速30 km·h-1).

基于多種典型循環(huán)工況對電動機參數(shù)進(jìn)行匹配，匹配結(jié)果如表2所示.

表2 電動機參數(shù)匹配設(shè)計結(jié)果

2 雙電動機耦合驅(qū)動系統(tǒng)控制策略

2.1 缺省控制策略

2個電動機均處于工作狀態(tài)，輸出的轉(zhuǎn)矩為

(1)

式中：TM1、TM2分別為電動機M1和M2的輸出轉(zhuǎn)矩；Treq為需求轉(zhuǎn)矩；k1、k2分別為電動機M1、M2的轉(zhuǎn)矩分配系數(shù).

將汽車行駛的需求轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)來分配2個電動機的輸出轉(zhuǎn)矩.

2.2 效率最優(yōu)控制策略

2.2.1驅(qū)動系統(tǒng)效率

當(dāng)驅(qū)動系統(tǒng)處在單電動機工作模式時，電動機的工作點由汽車行駛速度和基于行駛工況的需求轉(zhuǎn)矩唯一確定，驅(qū)動系統(tǒng)效率也隨之確定;當(dāng)驅(qū)動系統(tǒng)處在轉(zhuǎn)矩耦合工作模式時，由汽車行駛狀態(tài)和傳動系統(tǒng)參數(shù)可以確定2個電動機的轉(zhuǎn)速，電動機工作轉(zhuǎn)矩可以在轉(zhuǎn)矩允許范圍內(nèi)任意組合；當(dāng)驅(qū)動系統(tǒng)處在轉(zhuǎn)速耦合工作模式時，由汽車行駛的需求轉(zhuǎn)矩可以確定2個電動機的工作轉(zhuǎn)矩，電動機工作轉(zhuǎn)速可以在轉(zhuǎn)速允許范圍內(nèi)任意組合.

首先按照車輛勻速直線行駛計算整車行駛驅(qū)動力Fr，即

(2)

式中：m為整車質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動阻力系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；u為車速；δ為整車質(zhì)量換算系數(shù).

驅(qū)動系統(tǒng)總效率為

(3)

式中：Pout為驅(qū)動系統(tǒng)輸出功率；Pin為驅(qū)動系統(tǒng)輸入功率；ωM1、ωM2分別為電動機M1和M2的角速度；ηM為雙電動機工作總效率；ηt為驅(qū)動系統(tǒng)傳動效率.

單電動機工作模式下，電動機工作轉(zhuǎn)矩為整車需求轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速由車速得到，則驅(qū)動系統(tǒng)總效率為

(4)

式中：Mi為電動機M1或M2；TMi、ωMi分別為單電動機的輸出轉(zhuǎn)矩和角速度；ηMi為單電動機工作效率.

在雙電動機耦合工作模式時，在需求轉(zhuǎn)矩和需求轉(zhuǎn)速約束下，2個電動機工作點可以在允許范圍內(nèi)任意組合，利用序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法，基于驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)原則，計算2個電動機的最優(yōu)工作點，確定2個電動機的動力分配方案.驅(qū)動系統(tǒng)效率優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

f(x)=maxηsys.

(5)

約束條件如下：

(6)

式中：PM1、PM2分別為電動機M1和M2輸出的功率；SOCmin為電池最小荷電量；SOC為電池荷電量；Umin、Umax分別為電池輸出的最小和最大電壓；Ubat為電池輸出電壓；T1(ωM1)、T2(ωM2)分別為電動機M1和M2在相應(yīng)角速度下輸出的轉(zhuǎn)矩；T1max(ωM1)、T2max(ωM2)分別為電動機M1和M2在相應(yīng)角速度下輸出的最大轉(zhuǎn)矩.

2.2.2驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)工作模式

雙電動機耦合工作模式時，由于2個電動機的工作點不具有確定性，因此以驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，在約束條件下，采用序列二次規(guī)劃算法對電動機工作點進(jìn)行尋優(yōu)計算.將驅(qū)動系統(tǒng)效率最高的工作模式作為驅(qū)動系統(tǒng)的最優(yōu)工作模式，通過計算可劃分出雙電動機耦合驅(qū)動系統(tǒng)的效率最優(yōu)工作區(qū)域，得到工作點對應(yīng)的工作模式如圖2所示，其中nM1、nM2分別為電動機M1和M2的需求轉(zhuǎn)速.

圖2 雙電動機耦合驅(qū)動系統(tǒng)模式切換示意圖

從圖2可以看出：當(dāng)車輛有低速、較小轉(zhuǎn)矩需求時，電動機M1單獨工作；當(dāng)車輛有低速、較大轉(zhuǎn)矩需求時，電動機M2單獨工作；當(dāng)車輛有中速、較大轉(zhuǎn)矩需求時，雙電動機轉(zhuǎn)矩耦合工作；當(dāng)車輛有高速、較小轉(zhuǎn)矩需求時，雙電動機轉(zhuǎn)速耦合工作.

由于采用瞬時模式切換算法，控制過程難，且計算繁瑣,因此為了提升控制模型的決策效率，采用邊界曲線將4個工作模式進(jìn)行劃分，然后將4個模式之間設(shè)置門限值，如圖3所示.

圖3 雙電動機耦合驅(qū)動系統(tǒng)模式切換邊界

將模式識別進(jìn)行簡化之后，建立模式識別控制策略.在完成模式識別規(guī)則制定后，在單電動機工作時，轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速需求直接分配給單電動機，在雙電動機耦合工作模式下，依據(jù)最優(yōu)控制算法求解的工作點，對電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行分配.

2.2.3雙電動機動力分配控制策略

依據(jù)2.2.2節(jié)求解的效率最優(yōu)模式識別控制策略，在雙電動機轉(zhuǎn)矩耦合工作模式時，由于2個電動機工作點不確定，基于驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)原則分配2個電動機的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩耦合模式下的效率最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配控制策略的電動機M1和電動機M2的輸出轉(zhuǎn)矩特性如圖4所示.

圖4 轉(zhuǎn)矩耦合模式下電動機輸出轉(zhuǎn)矩特性

在雙電動機轉(zhuǎn)速耦合工作模式時，基于驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)原則分配2個電動機的轉(zhuǎn)速，驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速耦合模式下的效率最優(yōu)轉(zhuǎn)速分配控制策略的電動機M1和M2的輸出轉(zhuǎn)速特性如圖5所示.其中no1、no2分別為電動機M1和M2的輸出轉(zhuǎn)速.

圖5 轉(zhuǎn)速耦合模式下電動機輸出轉(zhuǎn)速特性

3 驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制策略驗證

利用AVL CRUISE軟件建立純電動汽車仿真模型[10]，按照GB/T 18386—2017《電動汽車能量消耗和續(xù)駛里程試驗方法》分別對電動汽車能量消耗、續(xù)駛里程進(jìn)行經(jīng)濟性分析[11].在進(jìn)行汽車能量消耗分析前，需要檢測車速跟隨情況，良好的車速跟隨可以保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性.選取NEDC(new European driving cycle)工況進(jìn)行車速跟隨仿真分析，如圖6所示，其中：ua為目標(biāo)車速；t為時間.結(jié)果表明仿真車速可以很好地跟隨NEDC工況的車速，說明仿真模型滿足試驗精度，可以進(jìn)行經(jīng)濟性能仿真分析.

圖6 NEDC工況下車速跟隨示意圖

續(xù)駛里程測試采用NEDC和WLTC(world light vehicle test procedure)這2種常用循環(huán)工況進(jìn)行測試.仿真試驗之前在CRUISE中Initial Values中設(shè)置SOCTarget的控制方式，一般情況下，SOC的利用率為95%到5%，否則會影響電池使用壽命.能量消耗率一般采用100 km電耗來表示，計算方法為電池的輸出能量除以測試行駛的續(xù)駛里程.在電池SOC可用范圍下2種驅(qū)動方案下的續(xù)駛里程和100 km電耗水平如表3所示,在2種循環(huán)工況下，效率最優(yōu)驅(qū)動控制方案，具有更高的續(xù)駛里程和更低的100 km電耗水平，相比于缺省控制方案有明顯的性能提升.

表3 雙電動機耦合驅(qū)動系統(tǒng)2種驅(qū)動控制方案的續(xù)駛里程和100 km電耗對比

3.1 電池輸出特性對比分析

電池的SOC值為電池當(dāng)前剩余的荷電量與完全充電狀態(tài)下的荷電量的比值，SOC值的大小直接體現(xiàn)出電池儲存能量的高低.在進(jìn)行測試電池輸出特性時，一般以單次工況消耗的電池電量作為衡量電動汽車能耗的標(biāo)準(zhǔn).分別采取NEDC、WLTC單次循環(huán)工況進(jìn)行測試，電池SOC初始值設(shè)定為60%，2種驅(qū)動控制方案下SOC的變化曲線如圖7所示.

圖7 2種驅(qū)動控制方案的SOC變化曲線

在NEDC工況下，缺省控制策略在完成單次循環(huán)工況時的SOC值為55.69%，驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制策略在完成單次循環(huán)工況時的SOC值為56.26%.在WLTC工況下，缺省控制策略在完成單次循環(huán)工況時的SOC值為50.43%，驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制策略在完成單次循環(huán)工況時的SOC值為51.93%.驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制策略相比缺省控制策略SOC曲線下降速率明顯變緩，說明驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制策略能夠提高電動機的工作效率，間接提高了電池能量的利用率，增強了整車的節(jié)能效果.

3.2 電動機輸出特性對比分析

在不同的行駛工況和不同的控制策略方案下，電動機的工作特性也會不同.由于NEDC工況分為加速工況和勻速工況，并且車速平滑，便于仿真測試分析.一個NEDC工況由4個市區(qū)循環(huán)工況(urban driving cycle，UDC)和1個市郊循環(huán)工況(extra urban driving cycle，EUDC)組成.因此分別選取UDC工況和EUDC工況對電動機的輸出特性進(jìn)行研究.

對2種驅(qū)動控制方案的2個電動機輸出轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行分析，UDC工況下2種驅(qū)動控制方案的電動機工作輸出特性如圖8所示，EUDC工況下2種驅(qū)動控制方案的電動機工作輸出特性如圖9所示.

圖8 UDC工況下2種驅(qū)動控制方案的電動機輸出特性

圖9 EUDC工況下2種驅(qū)動控制方案的電動機輸出特性

從圖8可以看出：在缺省控制方案中，驅(qū)動系統(tǒng)一直保持雙電動機工作模式；2個電動機轉(zhuǎn)矩按比例進(jìn)行分配，在加速工況，電動機輸出轉(zhuǎn)矩雖有小幅波動，但總體輸出平穩(wěn)；在勻速工況時，電動機輸出轉(zhuǎn)矩總體偏低.從圖9可以看出：在效率最優(yōu)控制方案中，在城市工況下，在車輛加速時電動機M1單獨工作，當(dāng)車速和轉(zhuǎn)矩需求增加時，切換到電動機M2工作繼續(xù)加速；在市郊工況下，在車輛高速行駛時，驅(qū)動系統(tǒng)處于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩耦合工作模式.

在UDC工況和EUDC工況下2種驅(qū)動方案的電動機驅(qū)動工作點分布分別如圖10、11所示.

圖10 UDC工況下2種驅(qū)動控制方案的電動機驅(qū)動工作點分布示意圖

從圖10可以看出：UDC工況下，雙電動機耦合驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)驅(qū)動控制方案中，2個電動機負(fù)荷率較高，電動機工作點在高效區(qū)所占比例更大，電動機工作點分布更優(yōu)，驅(qū)動系統(tǒng)效率提升明顯.

從圖11可以看出：EUDC工況下，效率最優(yōu)驅(qū)動模式下的雙電動機耦合驅(qū)動系統(tǒng)中2個電動機的負(fù)荷率較高，相比于缺省控制方案，電動機工作點在高效區(qū)所占比例更大；在加速工況和勻速工況中，電動機M2雖然工作效率略微下降，但電動機M1都工作在最佳效率區(qū)間內(nèi)，使驅(qū)動系統(tǒng)效率得到更大提升；在整個NEDC循環(huán)工況中，雙電動機耦合驅(qū)動系統(tǒng)平均效率為85.9%，在缺省控制驅(qū)動方案下驅(qū)動系統(tǒng)效率大于85.0%的電動機工作點占42.0%，在驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)驅(qū)動方案下驅(qū)動系統(tǒng)效率大于85.0%的電動機工作點占55.0%.結(jié)果表明，在驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)驅(qū)動方案時，電動機可以工作在較高的效率區(qū)間內(nèi)，電動機的負(fù)荷率更高.

圖11 EUDC工況下2種驅(qū)動控制方案的電動機驅(qū)動工作點示意圖

4 結(jié) 論

1)依據(jù)行星齒輪傳動機構(gòu)特性，同時采用離合器與制動器來控制電動機的動力輸出，提出雙電動機耦合驅(qū)動純電動汽車動力傳動系統(tǒng)構(gòu)型，并進(jìn)行動力傳動系統(tǒng)工作模式分析.

2)利用序列二次規(guī)劃算法，基于驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)原則，計算2個電動機的最優(yōu)工作點，確定2個電動機的動力分配方案，提出驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制策略.

3)建立純電動汽車仿真模型，選取NEDC工況、WLTC工況下電池SOC變化曲線進(jìn)行分析，結(jié)果表明驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制策略相比缺省控制策略SOC曲線下降速率明顯變緩，提高了電池能量的利用率，進(jìn)而增強了整車的節(jié)能效果.

4)選取UDC工況和EUDC工況，進(jìn)行2種驅(qū)動控制策略下電動機工作特性分析，結(jié)果表明，在驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)驅(qū)動方案時，電動機工作在大于85.0%的效率區(qū)間內(nèi)的工作點占55.0%，電動機的負(fù)荷率更高，驅(qū)動系統(tǒng)效率得到更大的提升.