四轮独立驱动电动汽车能效分析与功率分配*

李仲兴，王吴杰，徐 兴,2，蒋 侃，陈 龙,2

(1.江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013； 2.江苏大学汽车工程研究院，镇江 212013)

2016163

四轮独立驱动电动汽车能效分析与功率分配*

李仲兴1，王吴杰1，徐 兴1,2，蒋 侃1，陈 龙1,2

(1.江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013； 2.江苏大学汽车工程研究院，镇江 212013)

本文中分析了四轮独立驱动电动汽车样车的结构与原理，利用快速原型建立了分布式整车控制系统架构。通过轮毂电机及其控制器与样车的台架试验和底盘测功机道路模拟试验，得到了轮毂电机的转矩响应特性和能量效率曲线，采用最小二乘法拟合驱动电机控制规律。与此同时，鉴于轮毂电机及其控制器效率的非线性和在转矩区间的差异，提出了一种减少整车能量消耗的前后轴驱动力分配方法，并进行了样车道路试验。结果表明，通过驱动力分配进行整车能量优化，不同行驶速度下能效最大改善超过10%，优化驱动模式可进一步降低整车能耗。

电动汽车；四轮独立驱动；能量特性；功率分配

前言

相对于混合动力汽车(包括插电式混合动力汽车)和纯电动汽车，四轮独立驱动电动汽车具有独特的优势：(1)各车轮相对独立，无需变速器、差速器及半轴等机械连接；(2)安装于各个车轮内部的轮毂电机可以独立控制，从而可较容易实现如防抱死(ABS)和牵引力控制(TCS)等车辆稳定性控制策略[1-2]；(3)各轮毂电机的高速响应特性及相互独立优势，为整车能量优化提供了新的可能。

目前，国内外对四轮独立驱动电动汽车的整车性能及效率特性的分析研究还较少。国外方面，文献[3]～文献[5]中开发了四轮独立电机驱动的电动汽车“UOT March-II”，主要研究了四轮独立驱动汽车的稳定性控制，以不同的横摆率控制策略实现稳定性控制和最优牵引力分配。文献[6]中研究了轮毂电机驱动电动汽车乘坐舒适性与安全性强化系统，通过分析车辆不同系统间的关系及对驱动转矩的需求调节悬架系统，从而保证良好的乘坐舒适性和安全性。文献[7]中搭建了四轮独立驱动电动汽车样车，研究了轮毂电机及其控制器在驱动和制动两种模式下的转矩响应特性和能量效率，分析了四轮独立驱动电动汽车能量优化的可行性。

国内方面，一些高校也进行了四轮轮毂电机独立驱动电动汽车的研究。文献[8]和文献[9]中开发了四轮驱动四轮转向电动汽车，研究了多模式转向运动并基于电机效率图研究了驱动力优化控制方法。文献[10]～文献[12]中基于自主开发的“春晖”和“登峰”系列四轮轮毂电机驱动汽车，进行车轮侧偏刚度估计、车辆运动状态估计和路面附着系数估计，运用LQR和WLS算法研究电机力矩分配控制。文献[13]和文献[14]中自主开发了一款四轮轮毂电机驱动、四轮转向电机转向和四轮电磁制动器制动的全线控电动汽车，主要研究了电动汽车底盘集成控制方法。

四轮独立驱动电动汽车能量优化是一个重要的研究方向，而轮毂电机及其控制器的转矩响应特性和能量特性是分析四轮独立驱动电动汽车效率特性的基础。由于轮毂电机效率曲线的非线性，可从整车需求转矩分配方式角度进行四轮独立驱动电动汽车能量优化。通过实车道路试验分析了能量优化的可行性，为进一步基于轮毂电机效率曲线进行整车驱动能量优化打下基础。

1 四轮独立驱动电动汽车架构

为更好地研究四轮独立驱动电动汽车的整车特性，基于市场上已有的某款纯电动汽车，研发了一辆四轮独立驱动试验样车，如图1所示。为实现四轮独立驱动，该样车各车轮处各配有一个3kW的轮毂电机作为驱动电机，如图2所示。考虑到电机功率密度、体积、轻量化和价格等方面的因素，选用永磁无刷直流电机作为轮毂电机[15]。样车及部分零部件的主要参数如表1所示。

装有4个轮毂电机的试验样车，通过对各个轮毂电机控制器给出不同的控制信号，可实现各轮独立控制。轮毂电机控制器有效控制信号的电压区间为1～3V，对应轮毂电机的转矩响应区间。一组72V的磷酸铁锂电池组是整车唯一供电装置，电池包中的电池管理系统时刻监测电池组状态；通过DC/DC转换器将动力电池组72V电压降压至12V，为样车上其他用电设备供电。为分析4个轮毂电机的工作状态，利用1个电压传感器和4个电流传感器分别监测4个轮毂电机控制器的输入电压和输入电流。安装于轮毂电机处的齿轮轮速传感器(见图2)，根据检测到的齿轮数发送的脉冲信号，可获得车轮转速。为分析整车运行状态，利用车顶部的高精度GPS和惯性导航设备(见图1)时刻采集车辆位置和车身姿态。图3为研发的四轮独立驱动电动汽车样车整车结构。

图1 四轮独立驱动电动汽车样车

图2 轮毂电机及轮速传感器

参数数值整车质量/kg710迎风面积/m20.87轮毂电机质量/kg18.6轮毂电机额定功率/kW3轮毂电机最大转矩/(N·m)150轮毂电机最大转速/(r·min-1)750车轮有效半径/m0.245电池电压/V72电池额定容量/(A·h)140

图3 四轮独立驱动电动汽车样车结构

基于Matlab/Simulink快速原型设计上层整车控制器，协调下层4个轮毂电机控制器，并通过CAN总线采集所有的控制信号和传感器信号，如图4所示。利用模拟量和频率量输入通道采集车辆传感器数据并实时分析处理，求解出控制信号通过PWM输出通道输出，以控制各轮毂电机控制器。由于轮毂电机控制器控制信号为模拟量，设计了PWM/模拟量转换模块进行控制量转化，实现轮毂电机控制器与快速原型的输入输出匹配。利用该快速原型的CAN总线通道，通过一台笔记本电脑可实时监测并记录车辆所有的控制信号和状态信号。

图4 上层控制原理

2 驱动电机特性与控制规律分析

轮毂电机及其控制器的转矩响应特性对四轮独立驱动汽车控制尤为重要。单一动力源的传统汽车、混合动力汽车和纯电动汽车，都配备了机械式差速装置，以保证车辆在转弯等工况下内外车轮不同转速的需求。而四轮独立驱动电动汽车，各车轮间无差速器连接，但在转弯等工况下同样要求其内外各车轮满足一定的转速和转矩关系，各轮轮毂电机必须能响应各自的转矩和转速控制需求。因此，在无法直接获取车辆车轮转矩的条件下，获得轮毂电机转速和转矩对控制信号的响应十分必要。

2.1 电机特性试验设置

将轮毂电机控制器和电机本体作为一个整体，输入控制信号、输出电机转矩和转速。轮毂电机特性试验中，轮毂电机控制器的给定信号从1V开始，以0.2V的步长增加至3V。轮毂电机特性测试台架如图5所示，轮毂电机、转速转矩传感器和磁粉制动器通过夹具固定在底座上，保证水平高度一致；三者之间通过联轴器连接，满足其同轴度要求。磁粉制动器用于施加负载，转速转矩传感器用于测量不同给定控制信号下轮毂电机的转速和转矩。此外，选用迪卡侬电池测试系统作为恒压源给轮毂电机提供稳定的72V电压。

图5 轮毂电机特性测试台架

2.2 电机特性分析

图6为轮毂电机的功率随不同的给定控制信号和转矩而变化的曲面。由图可见，轮毂电机最大功率近6kW。图7为轮毂电机的电流随不同的给定控制信号和转矩而变化的曲面。由图可见，轮毂电机电流随着转矩的增加而增大，且逐渐趋于稳定。这是由于轮毂电机控制器具有功率限制的功能，当轮毂电机控制器输入功率达到限制值时，便趋于稳定不再增加防止轮毂电机损坏，这同时解释了图6轮毂电机功率曲面类似的趋势。

图6 轮毂电机功率

图7 轮毂电机电流

轮毂电机输出功率与其控制器输入功率的比值为轮毂电机能量效率，图8为不同控制器给定信号下，轮毂电机能量效率随转矩的变化曲面。由图可见：相同控制器给定信号下，轮毂电机效率随着转矩的增大而增大，达到最大效率点后开始逐渐降低；而在相同转矩下，随着控制器给定信号的增大而增大，最大效率可达80%。通过对试验数据进行插值，可得轮毂电机MAP图。

图8 轮毂电机能量效率

2.3 基于最小二乘法的电机控制规律拟合

图9为轮毂电机转矩在不同的控制信号下随转速变化的曲面。由图可见：相同转速下轮毂电机转矩随着控制信号的增加而增加；而同一控制信号下，轮毂电机转速随着转矩增加而减小。为了获得不同控制信号下轮毂电机转矩与转速的响应特性，利用最小二乘法对试验数据进行多项式拟合，以获得轮毂电机控制规律。

图9 轮毂电机转矩

设轮毂电机转矩与转速关系的拟合多项式最高次数为n，其拟合关系式可表示为

(1)

式中：j为多项式次数；Kj为j次多项式系数；T为轮毂电机转矩；ω为轮毂电机角速度。

利用多项式Pn(ω)拟合轮毂电机及其控制器台架试验获得的转速和转矩数据(ωi，Ti)，i=1,2,…,n,则拟合结果与实际测量值之间的误差ri可表示为

ri=Pn(ωi)-Ti

(2)

利用误差的平方和表征拟合精度，使拟合精度最高，即求

(3)

通过试验数据分析发现，同一控制信号下，轮毂电机转矩与转速呈一次比例关系，故用一次多项式即可较好的拟合试验数据，拟合多项式为

T=K1ω+K2

(4)

对式(1)中的系数K1和K2再次进行多项式拟合，发现利用二次多项式可较好地进行拟合，故可得关于K1和K2的拟合多项式为

K1=K11v2+K12v+K13

(5)

K2=K21v2+K22v+K23

(6)

式中v为控制信号。

根据试验数据和拟合曲线得到的轮毂电机及其控制器控制信号、转矩和转速三者的关系曲面如图10所示。

图10 不同控制信号电机转矩-转速变化曲线

3 四轮独立驱动电动汽车能效分析

能量利用率的高低直接影响了四轮独立驱动电动汽车能量消耗率以及续驶里程。上文已分析了电池输入至轮毂电机输出的能量转换效率，这主要取决于轮毂电机及其控制器本身的性能。此外，轮胎滚动时与路面间存在摩擦损失，这将影响电池输入至车轮驱动输出的能量转换效率；四轮驱动时各驱动电机所处的效率区间同样也会影响整车的能量效率。

3.1 驱动轮效率分析

为了研究驱动轮的驱动效率即电池输入至车轮输出的能量转换效率，利用底盘测功机进行了四轮独立驱动样车的ECE城市循环工况试验和加速踏板定开度匀速试验。该试验中，底盘测功机用于模拟道路，对架于底盘测功机转鼓上的两前轮轮毂电机控制器给以一定的控制信号来驱动样车。ECE城市循环工况中车速和控制信号随时间变化的曲线如图11所示，电池的电压和电流随时间变化的曲线如图12所示。图11中，控制信号的最小值不为零，这是因为加速踏板具有初始电压，而轮毂电机及其控制器的响应电压为0.9V，故在0～0.9V控制信号区间速度无变化；对比目标车速与实际车速发现，实际车速可以较好地跟踪目标车速，车辆驱动性能良好。图12中，电流在车辆急加速时出现明显的尖峰，此时电机的效率是极低的，但电流值随着车速的稳定而减小并趋于稳定。

图11 车速及轮毂电机控制信号曲线

图12 道路模拟试验电池组电流和电压曲线

由于轮胎摩擦损失的存在，电池输入至车轮输出相比于电机输出的能量转换效率总是要低，在40km/h车速时最大效率仅有67.5%，较低车速15.2km/h时为58.3%，如表2所示。表2中，效率随着车速的增高先增大后减小，这与图8轮毂电机效率特性曲面在小转矩驱动时，四轮独立驱动样车的能量利用率较低的结论相符。发挥四轮独立驱动电动汽车各轮独立可控的优势，尽可能地使每个轮毂电机都工作在高效率区间，则可优化整车能量利用率并增大续驶里程。

表2 匀速试验驱动效率

3.2 整车能效分析

根据上述讨论分析可知，整车在低转矩区间行驶时能量利用率较低。4个轮毂电机驱动时消耗的总功率为

(7)

根据驱动时的效率ηi定义可得

(8)

式中：U为电池电压；Ii为轮毂电机消耗的电池电流；i=fl，fr，rl，rr，分别代表前左、前右、后左、后右车轮(下同)。从而，各轮毂电机消耗的功率为

(9)

式中轮毂电机效率ηi是电机转速与转矩的函数，可通过图8中效率试验数据拟合得到。四轮独立驱动电机输出转矩必须满足整车驱动要求：

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

(10)

式中：Tx为达到纵向目标车速电机所需提供的总驱动转矩；Tf为前轴提供的驱动转矩；Tr为后轴提供的驱动转矩。

从而，整车能量优化问题可转变为求前后轴的驱动转矩使得所消耗的功率最低。在一给定车速下，前后轴所消耗的电池功率可表示为

(11)

为使前后轴消耗的电池功率最低，则必须选择合适的Tf*和Tr*，Tf*和Tr*分别为优化后的前轴和后轴驱动转矩，则式(11)可改写为

(12)

每个电机的参考转矩不能超过其所能提供的最大转矩Tmax，所以ΔT必须满足：

(13)

在特定转速下，已知效率η关于电机转矩的函数式，则可求得Tf*和Tr*使得功率P最小。Tf*和Tr*的选取不一定需要实时在线计算，也可根据试验数据离线计算好ΔT关于转矩和转速的数据表供查询。

考虑前后轴分配的极限情况，即仅用前轴驱动或仅用后轴驱动，讨论相同车速下与四轮驱动时的消耗功率进行对比。通过样车的道路匀速直线试验发现，以相同车速行驶时，仅用后轴两轮驱动所消耗的功率要低于四轮驱动所消耗的功率，如图13所示。7个车速下能耗分别降低2.2%，12.5%，10%，8.33%，10%，2.86%和5%，以10km/h的较低车速行驶时，四轮驱动与后轮驱动所消耗的功率差不多，这主要是因为轮毂电机在较低转速时的效率较低，如图8轮毂电机效率曲面所示。单独前轴驱动或是后轴驱动是前后轴驱动力分配的极限情况，故能量消耗降低并不明显，但说明了优化前后轴驱动力分配可提高整车能量效率。

图13 四驱与双驱消耗功率对比

4 结论

(1) 轮毂电机及其控制器能量特性表明，在低转速和低转矩区间内，轮毂电机及其控制器的能量效率较低。

(2) 基于最小二乘法原理得到的轮毂电机控制规律，可以较好地反映轮毂电机转矩响应特性。

(3) 利用轮毂电机及其控制器的效率特性的非线性和在不同转矩区间的差异性，进行四轮独立驱动电动汽车驱动力分配，可优化整车能量利用率。

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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

*江苏省“六大人才高峰”项目(2014-JXQC-004)、中国博士后科学基金(2015M571680)和江苏省普通高校研究生科研创新计划(CXLX13_677)资助。

原稿收到日期为2015年7月31日。