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基于效率優(yōu)化的四輪獨立驅(qū)動電動車轉(zhuǎn)矩分配
2020-11-18 22:41:52· 來源：同濟(jì)智能汽車研究所 作者：電驅(qū)動系統(tǒng)研究組
編者按：純電動汽車?yán)m(xù)駛里程短已成為影響其發(fā)展的瓶頸問題。論文針對這一問題，在分布式驅(qū)動電動汽車平臺上，提出了一種基于驅(qū)傳動系統(tǒng)效率優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩分配控制策
編者按：純電動汽車?yán)m(xù)駛里程短已成為影響其發(fā)展的瓶頸問題。論文針對這一問題，在分布式驅(qū)動電動汽車平臺上，提出了一種基于驅(qū)傳動系統(tǒng)效率優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩分配控制策略。仿真證明該策略能夠通過合理分配各電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而降低電動汽車行駛能耗，提高汽車?yán)m(xù)駛里程。
文章來源：同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)
作者：谷成，劉浩，陳辛波
原文鏈接：
https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&dbname=CJFDLAST2015&filename=TJDZ201510015&v=rOTgSPMsW7FS8%25mmd2Fu%25mmd2B0J1PXuyOovm8IFJrncg1Ql6arDzu3RVSsr178ZCugZbKRHmk
摘要：對某款四輪獨立驅(qū)動電動汽車轉(zhuǎn)矩分配控制策略對車輛經(jīng)濟(jì)性影響進(jìn)行研究，基于理論與試驗數(shù)據(jù)，建立關(guān)鍵零部件數(shù)學(xué)模型及整車能耗的MATLAB/Simulink仿真計算模型。以降低系統(tǒng)能耗為目標(biāo)，提出一種基于驅(qū)傳動系統(tǒng)效率優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩分配控制策略，得到轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)MAP圖，從而避免了在線計算的時效性問題?不同行駛工況下的仿真結(jié)果表明，與固定比例的轉(zhuǎn)矩分配方法相比，基于轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化算法的系統(tǒng)能耗可降低約5%?
關(guān)鍵詞：四輪獨立驅(qū)動，轉(zhuǎn)矩分配，能耗，效率
前言
發(fā)展節(jié)能環(huán)保安全的電動汽車是解決未來能源?環(huán)境問題及實現(xiàn)主動安全的最有效措施之一，在世界范圍內(nèi)得到高度重視。然而，目前純電動汽車?yán)m(xù)駛里程短成為影響其發(fā)展的瓶頸問題。為降低能量消耗率，除了減小機(jī)械摩擦?減小電池內(nèi)阻和采用輕量化設(shè)計外，利用驅(qū)/傳動系統(tǒng)的優(yōu)化匹配提高效率以及通過再生制動回收制動能量是值得深入研究的措施[1]。相較于集中式驅(qū)動汽車，分布式驅(qū)動電動汽車省卻了變速器等傳動裝置，具有驅(qū)/傳動鏈短?傳動高效?結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)點，在多電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)間，通過合理的轉(zhuǎn)矩分配來提高系統(tǒng)效率，實現(xiàn)能量流最優(yōu)化，對降低電動汽車行駛能耗，提高續(xù)駛里程具有重要意義。
目前，在混合動力汽車中應(yīng)用控制轉(zhuǎn)矩分配的方法來降低系統(tǒng)能耗的研究較多，通過確定發(fā)動機(jī)與電機(jī)間的轉(zhuǎn)矩分配來提高車輛的等效燃油經(jīng)濟(jì)性，控制方法包括邏輯門限以及模糊控制等[2-7]，而關(guān)于分布式驅(qū)動電動汽車的研究則相對較少[8-10]。本文針對一種分布式驅(qū)動電動汽車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)輪轂電機(jī)?輪邊電機(jī)和減速器的效率場分布特性，提出前后輪間轉(zhuǎn)矩分配的優(yōu)化控制策略，以提高驅(qū)/傳動系統(tǒng)綜合效率，從而實現(xiàn)降低行駛能耗，增加續(xù)航里程的目的。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
圖1所示為某高性能分布式驅(qū)動電動汽車的系統(tǒng)構(gòu)成。前輪采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，便于布置轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；后輪由高速電機(jī)和定軸齒輪式輪邊減速器組成的輪邊減速驅(qū)/傳動系統(tǒng)驅(qū)動，可發(fā)揮高速電機(jī)高效?高功率密度和齒輪減速器高轉(zhuǎn)矩密度的綜合優(yōu)勢，同時，為有效抑制簧下質(zhì)量負(fù)效應(yīng)，該輪邊減速驅(qū)/傳動系統(tǒng)與懸架擺臂一體化設(shè)計[11]。
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圖1 系統(tǒng)構(gòu)成
2 模型建立
根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立控制系統(tǒng)模型，將目標(biāo)車速與實際車速的偏差值作為輸入量，駕駛員模型實時計算輸出需求轉(zhuǎn)矩，包括驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與制動轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩分配和整車動力學(xué)模型得到實際車速，并與目標(biāo)車速比較形成閉環(huán)負(fù)反饋控制，如圖2所示。
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圖2 控制系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)
2.1 駕駛員模型
駕駛員模型將目標(biāo)車速與實際車速偏差的比例?積分和微分通過線性組合來控制整車需求驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和制動轉(zhuǎn)矩，模擬駕駛員踩油門踏板和制動踏板的過程，其控制轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如式(1)所示。
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式中：kp是比例系數(shù)；TI是積分時間常數(shù)；TD是微分常數(shù)；e(t)為目標(biāo)車速與實際車速的偏差。
2.2 轉(zhuǎn)矩分配模型
根據(jù)具體的控制策略，轉(zhuǎn)矩分配模型將控制系統(tǒng)的需求轉(zhuǎn)矩分配到前輪輪轂電機(jī)和后輪輪邊電機(jī)，包括驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配和制動轉(zhuǎn)矩分配?？刂撇呗圆煌?，其前后輪轉(zhuǎn)矩分配也有所不同，目前，較為常見的分配方法是依據(jù)前后輪載荷比來按照固定分配比例的方法進(jìn)行分配，該控制策略簡單且易實現(xiàn)。需要指出的是，不同的轉(zhuǎn)矩分配控制策略均應(yīng)在滿足整車動力性要求的基礎(chǔ)上對上述整車需求轉(zhuǎn)矩在前后輪間進(jìn)行分配，不影響整車需求轉(zhuǎn)矩的大小，即不影響整車動力性要求。
2.3 整車動力學(xué)模型
分布式驅(qū)動電動汽車在行駛過程中，滿足汽車行駛動力學(xué)方程式
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即
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式中：Ft是驅(qū)動力；Ff是滾動阻力；Fw是空氣阻力；Fi是坡度阻力；Fj是加速阻力；Ttq1為輪轂電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Ttq2是輪邊電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；k是輪邊減速器傳動比；ηred是減速器效率；是車輪半徑；W是車輪載荷；f是滾動阻力系數(shù)；CD是空氣阻力系數(shù)；A是迎風(fēng)面積；ua是汽車行駛速度；i是爬坡度；δ是汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。
2.4 電池模型
電池電量狀態(tài)SOC計算式如下：
式中：SOC0是電池初始電量；η是電池充放電效率；CI為串聯(lián)電池電量。
電池充放電效率與充放電電流，電池電量以及溫度等有關(guān)，本模型旨在比較不同分配方法下的節(jié)能效果，不深入探討充放電效率問題，設(shè)η=1。電池組開路電壓與SOC的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。
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圖3 開路電壓與SOC的關(guān)系
設(shè)P為電動汽車輸出功率(包括消耗功率與回饋功率，回饋功率設(shè)為負(fù))，根據(jù)圖3所示，由初始SOC0查表得到開路電壓U0，連同電池內(nèi)阻與電容的內(nèi)電壓得到總電壓U，根據(jù)I=P/U，得到充放電電流，由SOC計算公式經(jīng)過積分產(chǎn)生下一時刻的SOC0，經(jīng)過不斷迭代，得到工況下每一時刻所對應(yīng)的電池電量狀態(tài)，其迭代過程如圖4所示。
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圖4 電池SOC循環(huán)迭代計算
2.5 驅(qū)/傳動系統(tǒng)能耗計算模型
在行駛工況下，系統(tǒng)耗能如下：
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式中：T1是輪轂電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；T2是輪邊電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；k是減速比；n是輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速；ηm1是輪轂電機(jī)效率；ηm2是輪邊電機(jī)效率；ηred是減速器效率。其中，輪轂電機(jī)?輪邊電機(jī)和減速器效率隨轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩動態(tài)變化，具有非線性特性。相對于理論計算，臺架試驗結(jié)果更準(zhǔn)確，因此，建立如圖5所示的輪轂電機(jī)?輪邊電機(jī)以及減速器效率測試臺，分別測定其在不同轉(zhuǎn)速?轉(zhuǎn)矩下的驅(qū)動與制動效率MAP圖，如圖6所示。
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圖5 效率測試臺架
3 模型分析與實驗驗證
根據(jù)上述所建立的分布式電動汽車的控制模型，包括駕駛員模型?轉(zhuǎn)矩分配模型和整車動力學(xué)模型等，利用MATLAB/Simulink進(jìn)行固定比例分配轉(zhuǎn)矩的控制策略仿真，模型參數(shù)如表1所示，并進(jìn)行四輪轉(zhuǎn)鼓試驗臺試驗，如圖7所示。
在30km·h-1(工況Ⅰ)和60km·h-1(工況Ⅱ)兩種車速下，按照前后輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩3：5的固定比例分配，進(jìn)行百公里能耗試驗，并與仿真結(jié)果比較，如表2所示。
對比兩種車速下百公里能耗的仿真與試驗結(jié)果，考慮到車輛輔助電氣系統(tǒng)的能耗?電池組充放電效率和控制器效率等因素，可以認(rèn)為，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，仿真模型精度較高，能夠反映實車情況。
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a 輪轂電機(jī)效率
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b 輪邊電機(jī)效率
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c 減速器效率
圖6 輪轂電機(jī)，輪邊電機(jī)和減速器效率MAP圖
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圖7 整車轉(zhuǎn)鼓試驗
表1 仿真模型參數(shù)
表2 百公里耗能仿真與試驗結(jié)果對比
4 基于效率的轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化
對于非勻速行駛工況，由圖6驅(qū)/傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件效率MAP圖可知，輪轂電機(jī)?輪邊電機(jī)和減速器的效率隨轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩呈非線性動態(tài)變化，輪轂電機(jī)在低速大轉(zhuǎn)矩下效率很低，而減速器在接近空載時，由于輸入轉(zhuǎn)矩小，而攪油損耗等基本不變，導(dǎo)致其在低轉(zhuǎn)矩下效率很低。采用固定比例分配轉(zhuǎn)矩的方法沒有考慮上述效率變化的因素，使得電機(jī)與減速器可能均工作于低效區(qū)，影響驅(qū)/傳動系統(tǒng)的綜合效率。針對上述問題，本文提出一種基于驅(qū)/傳動系統(tǒng)效率場分布的轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化控制策略，即根據(jù)前后輪驅(qū)動系統(tǒng)效率場分布的差異進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配，以提高系統(tǒng)綜合效率，實現(xiàn)電動汽車的節(jié)能行駛。
4.1 驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化
假設(shè)汽車在直線良好路面行駛，車輪轉(zhuǎn)速均相同，為方便討論，以下所建立的前后輪轉(zhuǎn)矩分配模型將基于同側(cè)1/2車輛模型。
設(shè)x0為前輪轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)，Treq為1/2車輛模型的需求轉(zhuǎn)矩；Treq1為分配到前輪的需求轉(zhuǎn)矩；Treq2為分配到后輪的需求轉(zhuǎn)矩。即
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那么，。
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在一定車速下，前輪輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速為n，在該轉(zhuǎn)速下峰值驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為Tn1，為保證電機(jī)工作安全，前后輪電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩分別滿足關(guān)系
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式中：Tout1是輪轂電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Tn1是輪轂電機(jī)在轉(zhuǎn)速為n時對應(yīng)的峰值轉(zhuǎn)矩；Tout2是輪邊電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Tkn2是輪邊電機(jī)在轉(zhuǎn)速為時對應(yīng)的峰值轉(zhuǎn)矩。
至此，根據(jù)分布式電動汽車驅(qū)/傳動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立驅(qū)動功率非線性優(yōu)化模型
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其中
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式中：ηm1(n，Tout1)是輪轂電機(jī)在轉(zhuǎn)速為n，轉(zhuǎn)矩為Tout1時的效率；ηm2(kn，Tout2/k)是輪邊電機(jī)在轉(zhuǎn)速為(kn)，轉(zhuǎn)矩為(Tout2/k)時的效率；ηred(kn，Tout2/k)是減速器在轉(zhuǎn)速為(kn)，轉(zhuǎn)矩為(Tout2/k)時的效率。
通過調(diào)節(jié)前后輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配比例系數(shù)x0，在滿足上述約束條件下，使得前后輪驅(qū)動能耗最低，由此可以計算得到在各轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下所對應(yīng)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)MAP圖，如圖8所示。
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圖8 驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)
由圖8可知，在低速大轉(zhuǎn)矩情況下采用后輪輪邊電機(jī)比重較大，高速低轉(zhuǎn)矩情況下采用輪轂電機(jī)比重較大。根據(jù)轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)MAP圖是理想狀況下能耗最低的分配方案，在實際中，整車在低速啟動時常采用輪邊電機(jī)工作，高速低轉(zhuǎn)矩時采用輪轂電機(jī)工作，與上述轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)MAP圖結(jié)果趨勢一致，這也從理論上證實了實際中采用這樣的分配方式是具有其節(jié)能效益的。
4.2 制動轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化
與驅(qū)動工況不同的是，在制動工況下，尤其是緊急制動時，往往會出現(xiàn)需求制動轉(zhuǎn)矩超出電機(jī)制動峰值轉(zhuǎn)矩的情況，因此，需要考慮電液復(fù)合制動的匹配問題。再生制動能量的回收必須考慮到電池電量狀態(tài)，汽車的行駛安全性和舒適性。為避免過充電，設(shè)在電池電量大于90%時，將停止回收再生制動能量。為保證汽車行駛安全性，汽車配備有電液復(fù)合ABS，在低制動強度下，采用電機(jī)制動回收制動能量，隨著需求制動轉(zhuǎn)矩增加，當(dāng)電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩?zé)o法滿足制動需求時，則引入機(jī)械液壓制動來參與輔助制動，即前后輪電機(jī)在該轉(zhuǎn)速下輸出峰值制動轉(zhuǎn)矩與需求制動轉(zhuǎn)矩之間的差額由機(jī)械液壓制動提供。
對于制動工況，設(shè)需求轉(zhuǎn)矩為負(fù)，再生制動功率也為負(fù)，結(jié)合需求轉(zhuǎn)矩與電機(jī)峰值制動轉(zhuǎn)矩的比較關(guān)系，建立再生制動能量回收功率優(yōu)化模型
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其中
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式中：Treg1表示輪轂電機(jī)再生制動轉(zhuǎn)矩；Treg2表示輪邊電機(jī)再生制動轉(zhuǎn)矩；ηm1(n，Treg1)表示輪轂電機(jī)在轉(zhuǎn)速為n，轉(zhuǎn)矩為Treg1時的效率；ηm2(kn，Treg2)表示輪邊電機(jī)在轉(zhuǎn)速為(kn)，轉(zhuǎn)矩為Treg2時的效率；ηred(kn，Treg2)是減速器在轉(zhuǎn)速為(kn)，轉(zhuǎn)矩為Treg2時的效率。
通過計算在各車速轉(zhuǎn)矩下所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)，得到制動轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)MAP圖，如圖9所示。
結(jié)合驅(qū)動與制動轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)MAP圖可以發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動與制動轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)MAP圖總體形狀相似，局部有所不同，這是因為在驅(qū)動與制動時能量轉(zhuǎn)化方向不同。在驅(qū)/制動轉(zhuǎn)矩較小時，采用前輪輪轂電機(jī)單獨驅(qū)動效率較高。這是因為在低需求轉(zhuǎn)矩下，帶有減速器的輪邊電機(jī)其輸出轉(zhuǎn)矩將更低，電機(jī)與減速器的效率均很低，綜合，前輪效率較后輪效率高；當(dāng)驅(qū)/制動轉(zhuǎn)矩增大，在車速較低時采用后輪驅(qū)動或制動的比重更大，這是因為隨著轉(zhuǎn)矩增大，可以發(fā)揮帶有減速器的高速電機(jī)高效能的優(yōu)勢，與輪轂電機(jī)直接驅(qū)動的方式相比，其效率較高。
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圖9 制動轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)
4.3 優(yōu)化結(jié)果
根據(jù)建立的控制模型，采用基于效率優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩分配算法，結(jié)果顯示，在30km·h-1和60km·h-1兩種勻速工況下的百公里能耗分別為8.84kW·h和11.47kW·h，與前述采用固定比例分配方法下的百公里能耗相比，分別節(jié)能6.95%和3.21%，如表3所示。
表3 百公里能耗優(yōu)化結(jié)果比較
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為考慮不同車速下綜合能耗情況，選取整車行駛工況為ECE/EUDC工況，設(shè)電池初始SOC為0.9，考察車輛轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配策略下的經(jīng)濟(jì)性，包括電機(jī)效率?減速器效率?ECE/EUDC工況下總能耗等指標(biāo)。
由圖10可知，電機(jī)與減速器在大部分時間都工作在高效區(qū)，但存在輪轂電機(jī)效率較低的區(qū)域。結(jié)合圖11中輪轂電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輪轂電機(jī)效率較低時，其工作轉(zhuǎn)矩為0，這就意味著，所提出的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配方法避免了輪轂電機(jī)在低效區(qū)輸出轉(zhuǎn)矩情況的出現(xiàn)，通過前后輪轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化配置，提高了驅(qū)/傳動系統(tǒng)的綜合效率。
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圖10 輪轂電機(jī)?輪邊電機(jī)和減速器效率
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圖11 輪轂電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與效率
定義驅(qū)動能耗與制動回收能量之差為實際能耗。在ECE/EUDC行駛工況下，將轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配的實際能耗與轉(zhuǎn)矩按照固定比值分配的實際能耗比較，轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配控制下的系統(tǒng)實際能耗為1.1927kW·h，SOC由初始0.9降為0.7035，轉(zhuǎn)矩按照固定比例分配下的實際能耗為1.2685kW·h，SOC由初始0.9降為0.6909，如圖12和圖13所示。
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圖12 不同分配方法的能耗比較
在ECE/EDUC工況?中國城市工況以及FTP7 2工況下，轉(zhuǎn)矩采用不同分配算法控制下的驅(qū)動能耗和制動能耗如表4所示，實際能耗如圖14所示。結(jié)果顯示，相較于固定比例分配轉(zhuǎn)矩下的行駛能耗，采用轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配方法的整車能耗分別降低5.98%，4.60%和5.20%。
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圖13 不同分配方法的SOC比較
表4 不同工況能耗對比
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圖14 不同行駛工況下能耗比較
5 結(jié)論
分布式驅(qū)動電動汽車由于其四輪獨立受控，可以通過輪轂電機(jī)與輪邊電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配實現(xiàn)功率流的優(yōu)化。本文完成了以下工作：
(1)建立了考慮輪轂電機(jī)、輪邊電機(jī)和輪邊減速器效率場分布特性的分布式驅(qū)動電動汽車能耗模型，并通過基于固定比例分配前后輪轉(zhuǎn)矩的仿真分析和轉(zhuǎn)鼓試驗對比，驗證了模型正確性。
(2)提出基于系統(tǒng)效率優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩分配算法，在電機(jī)轉(zhuǎn)矩約束條件下，根據(jù)行駛工況，進(jìn)行輪轂電機(jī)、輪邊電機(jī)和減速器轉(zhuǎn)矩的合理分配，實現(xiàn)了驅(qū)/傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩輸出，有效降低了系統(tǒng)能耗。
(3)提出覆蓋全轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)的最優(yōu)分配MAP圖，通過在線查表法實現(xiàn)驅(qū)傳動系統(tǒng)效率優(yōu)化，具有算法簡單?實時性強的特點。
v參考文獻(xiàn)
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END
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