電動汽車雙電機驅動系統扭矩分配策略研究

0  引言

近年來國內新能源汽車產業迎來了蓬勃發展的機遇，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動為主，為了保證整車在各個工況下的動力性及經濟性^[3-5]，單電機驅動系統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，導致單電機驅動系統始終工作在低效區^[6-7]，而高速工況下單電機驅動系統又因為功率不足導致整車動力性不足。

為了解決上述問題，調節整車動力性和經濟性對驅動系統性能需求的矛盾，研究人員們提出了單電機匹配雙級減速器、雙電機驅動系統等方法^[8-10]，其中雙電機驅動系統結合控制策略和算法具有更大的優勢。文獻[11-12]對單電機驅動系統匹配雙級減速器的動力性和經濟性進行了分析，在保證整車動力性的前提下，有效的提升了驅動系統的工作效率，降低了整車能耗；文獻[13]基于電機效率最優和電池效率最優設計了一種前后輪雙電機轉矩分配方法，提出了一種多目標粒子群優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效率和續航里程；文獻[14]提出了一種基于正交試驗法的電動汽車雙驅動動力參數匹配與優化方法，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動電動汽車再生制動模糊控制策略，在保證制動方向穩定的前提下，結合雙電機特性，合理分配前后軸制動力，協調機電復合制動力，提高能量回收率，有效延長了整車的續駛里程。

然而，現有文獻中大多針對雙電機驅動系統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動系統的性能影響。特別是在雙電機驅動系統中，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，此時就需要結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動電機，研究了不同驅動電機類型在雙電機驅動系統中的組合應用，在此基礎上基于總體效率最優設計了一種分布式雙電機驅動系統方案，實現了整車各個工況下系統效率的提升，增加了整車的續航里程。

圖1 雙電機驅動系統結構模型

1  數學模型建立

本文設計的雙電機驅動電動汽車采用前后軸分布式獨立驅動，其結構模型如圖1所示。雙電機驅動系統主要由相互獨立的前驅系統和后驅系統組成。前驅系統包含減速器、小功率的前驅動電機、前電機控制器（Motor Controller Unit，MCU）構成，后驅系統與前驅一樣，但驅動電機選用一款大功率的電機作為主驅電機。前后兩個MCU和電池管理系統（Battery Management System，BMS）通過CAN總線與整車控制器（Vehicle Controller Unit，VCU）連接。

雙電機驅動系統工作時可分為三種基本工況，分別為前驅電機單獨工作、后驅電機單獨工作、前后驅電機同時耦合工作。本文主要分析雙電機驅動系統的效率，不考慮減速器、傳動軸等機械傳動損耗，故雙電機驅動系統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。雙電機驅動系統的總輸出功率P₂和總輸入功率P₁可分別表示為：

   （2）

   （3）

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

根據電機功率與轉矩、轉速的關系式，式（2）、式（3）可轉化為：

（4）

（5）

式中，n_t表示前驅電機轉速；n_r表示后驅電機轉速；表示扭矩分配系數，即后驅電機分配轉矩占總需求扭矩的比例。

因前、后驅電機匹配的減速器速比不同，為了減少變量，前、后驅電機的轉速可以統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。

基于雙電機驅動系統效率最優原則，雙驅系統的最優效率可表示為：

   （7）

式中，i_f表示前減速器速比；i_r表示后減速器速比。  

2    雙電機驅動系統參數

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動電機，前驅系統采用小功率電機，后驅系統采用大功率電機，分別各選取一款永磁同步電機和異步感應電機，電機的相關參數如表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效率。

表1 驅動電機性能參數

（a）前驅永磁同步電機    

（b）前驅異步感應電機

（c）后驅永磁同步電機

（d）后驅異步感應電機

圖2 驅動電機系統效率MAP

雙電機驅動系統中，為保證效率最優，存在較多的單電機運行工況，因驅動系統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狀態，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速無關，是一個恒定值，本文前驅系統感應電機的空載損耗為0.056kW，后驅系統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速成正比，其空載損耗隨著轉速的升高而增大，具體見圖3所示。

圖3 永磁同步電機空載損耗

本文設計的雙電機驅動系統搭載在一款SUV車型進行分析。前驅小功率電機轉速低，匹配一款減速比較小的單級減速器，后驅大功率電機轉速高，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，具體相關的整車參數見表2所示。

表2 整車參數

3  基于效率最優的轉矩分配策略仿真

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

3.1  前驅永磁、后驅永磁

前驅采用小功率永磁同步電機、后驅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的最優扭矩分配系數如圖4所示。根據仿真結果，后驅大功率電機作為主驅動電機，前驅小功率電機作為補充。整車全工況范圍最優扭矩分配系數平均值為0.7，即后驅系統平均扭矩輸出占比在整車全工況范圍內達到70%。整車全車速段可用扭矩范圍內的最優效率如圖5所示，最優平均效率為88.8%。

圖4 整車最優扭矩分配系數

圖5 整車最優效率MAP

3.2  前驅永磁、后驅感應

前驅采用小功率永磁同步電機、后驅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的最優扭矩分配系數如圖6所示。因感應電機的特性決定其整體效率低于永磁電機，根據仿真結果，當整車需求扭矩較小時（100N·m以內），主要由前驅永磁電機單獨工作，扭矩需求較大時，仍以前驅永磁電機輸出為主，后驅感應電機作為補充。整車全工況范圍最優扭矩分配系數平均值僅為0.35，即后驅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的最優效率如圖7所示，最優平均效率為86.9%。

圖6 整車最優扭矩分配系數

圖7 整車最優效率MAP

3.3  前驅感應、后驅永磁

前驅采用小功率異步感應電機、后驅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的最優扭矩分配系數如圖8所示。根據仿真結果，整車全工況范圍最優扭矩分配系數平均值為0.86，后驅系統永磁電機平均扭矩輸出占比在整車全工況范圍內高達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永磁電機扭矩不足時由前驅補充。整車全車速段可用扭矩范圍內的最優效率如圖9所示，最優平均效率為88.5%。

圖8 整車最優扭矩分配系數

圖9 整車最優效率MAP

3.4  前驅感應、后驅感應

前驅采用小功率異步感應電機、后驅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的最優扭矩分配系數如圖10所示。根據仿真結果，整車全工況范圍最優扭矩分配系數平均值為0.52，前、后驅系統平均扭矩輸出各占一半。整車全車速段可用扭矩范圍內的最優效率如圖11所示，最優平均效率為84.5%。

圖10 整車最優扭矩分配系數

圖11 整車最優效率MAP

根據四種前、后驅電機組合方案仿真分析結果，前后雙永磁電機和前驅感應后驅永磁兩個方案整體效率最優，兩個方案均采用后驅大功率永磁電機作為主驅動電機，充分利用永磁電機效率高的優勢。前驅永磁后驅感應方案，通過前后扭矩分配策略的調整，使前驅永磁電機作為主驅電機，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，不具備優勢。

圖12  NEDC循環工況

4  NEDC工況性能分析

NEDC（New Europe Driving Cycle）工況是歐洲的汽車續航測試標準，我國的電動汽車綜合續航里程測試也采用了NEDC測試標準。圖12所示為一個NEDC循環工況，其由4個市區循環和1個郊區循環組成。圖13所示為改款車型NEDC工況下全車速范圍內的扭矩需求，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所示為四種前后驅系統電機組合方案NEDC工況下對應的效率分布，前驅永磁后驅永磁、前驅永磁后驅感應、前驅感應后驅永磁、前驅感應后驅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，前驅小功率永磁電機匹配后驅大功率感應電機方案，采用小功率永磁電機作為主驅，充分利用永磁電機的高效區，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勢。

圖13  NEDC工況下需求扭矩分布

5  結論

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

1) 雙驅系統采用一個大功率永磁同步電機作為主驅時，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、大功率異步感應電機作為補充時，NEDC工況下的效率最優。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動系統各工況下的效率均低于有永磁同步電機參與的雙驅系統。

圖14  NEDC工況電機效率分布

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（注：本文刊登于《電子產品世界》雜志2020年11期）