基于效率最优的四驱纯电动转矩分配仿真分析

杨依楠，高力

基于效率最优的四驱纯电动转矩分配仿真分析

杨依楠1，高力2

（1.华晨汽车工程研究院电控工程处，辽宁 沈阳 110411；2.华晨汽车工程研究院新能源工程处，辽宁 沈阳 110411）

文章针对前、后双电机动力分布式纯电动汽车，以优化能量消耗为目标，如何合理的动态分配前、后轴转矩的问题进行了研究。首先依照制动法规、驱动电机动态响应和车辆纵向平顺性等要求，提出切实可行的分配计算与优化方法，并且区分驱动和制动两种工况。之后采用循环工况仿真验证的方法，进行能耗分析。通过与固定分配方法结果的对比，验证了所提分配方法有效性。

电动汽车；扭矩分配；效率最优

前言

与单电机纯电动汽车相比，前、后双电机动力系统存在能耗优化的可能性，这是由于转矩动态分配比例的引入，增加了一个优化维度。如何合理地进行动态转矩分配是有意义的实际问题。本文提出切实可行的分配计算与优化方法，应用典型循环工况进行能耗仿真分析。

1 驱动系统效率最优的分配方法

分布式电驱动汽车力矩分配策略主要有：路面附着消耗率最小的分配方法、理想驱动力矩的分配方法和驱动系统效率最优的分配方法[1~3]。其中驱动系统效率最优方法是本文要进行研究的方法，其可定义为在车轮端相同的总转矩和车速需求条件下，即需求输出功率一定时，动力系统实际输出功率与输入功率的比值最大，系统效率最大。满足系统效率最大的前、后电机转矩值就是驱动效率分配问题的最优解。

驱动系统效率最优分配求解计算的基本假设：

（1）车辆左、右两侧车轮的转矩是相等，仅考虑前、后轴车轮的分配，不考虑转向对分配的影响。

（2）前、后轴车轮采用相同轮胎几何尺寸，也即前、后轴车轮的滚动阻力系数相等，不会因此而影响转矩分配[4,5]。

（3）驱动工况，前、后轴转矩分配不考虑低附着路面上驱动轮的滑转，也不考虑是否满足理想转矩分配要求。

[4]制动工况，前、后轴转矩尽量有利于提高制动能量回收率[6]。

为便于分配计算，将前、后电机转速和转矩通过车速和速比关系公式（1）（2）和转矩和速比关系公式（3），转化到前、后车轴处。

式中：u为车辆行驶速度，km/h；ω、ω和ω分别为前、后电机和车轮转速，rpm；为车轮滚动半径，m；ig_、ig_分别为前、后电机各自至对应车轴的总减速比。

u取得最高车速为前、后电机最高转速计算出车速中最小的。

式中：T、T分别为前、后电机传递至各自车轴的驱动转矩，Nm；T为前、后电机传递至各自车轴驱动转矩之和，Nm。

定义前轴车轮的转矩分配系数k为前轴分配车轴转矩与驱动车轮总转矩之比，则有前、后车轮转矩满足公式（4）。

则驱动系统最优问题是在一定转速（即一定车速）下，通过选取合理w数值，使得驱动系统效率最大，也即使公式（5）最大。

求解最优问题的约束方程为：

式中：T、T为分别当前转速ω下前、后轴电机传递至各自车轴的最大转矩。约束方程的意义是分配后的前、后轴电机转矩都不能超过当前转速下电机的最大输出转矩。

通过求解有约束的优化函数，可以得到前轴转矩分配系数k，再根据总转矩需求T利用公式（4）计算得到前、后轴的车轮转矩T和T。

图1是在转速ω=500rpm时的分配系数随驱动转矩变化曲线。可以看出，驱动转矩240Nm~360Nm附近微小变化时，分配系数在1和0之间变化，也即在此区间内转矩微小变化，驱动形式会在前驱和后驱变化。

为满足这样快速动态变化，则须对动力电机系统快速响应和控制精度提出极为苛刻的要求。如果前、后电机实际响应特性存在较大差异，需求转矩快速在两轴间变化时，易导致转矩波动，车辆将会出现纵向和俯仰振动，平顺性下降。

图1 优化前、后转矩分配系数曲线对比

造成这种不合理分配的原因是驱动效率最优方法本身，方法求解数值解最优，并不能反映实际合理性。

为了降低转矩分配变化敏感性，本文提出一种改进方法。具体讲，在一定转速下，求取某一轴驱动转矩分配函数极大值，得到若干极大值点。随着需求转矩增加，逐个地将各个极大值点之后转矩值修正为极大值。进行前、后轴的分配转矩调整后，再计算得到合理转矩分配系数，图1中所示。从低转速到高转速范围，重复上述步骤，得到转矩分配系数Map如图2所示。

图2 优化驱动工况转矩分配系数Map

2 优化分配方法仿真验证与分析

仿真验证选取NEDC和WLTC循环工况进行。仿真初始SOC均为85%。

表1 两种循环工况下三种分配方式结果

表1是两种四驱分配方式和后驱方式的仿真结果，可以发现无论是NEDC，还是WLTC工况，采用动态比例分配方式比固定比例的能耗小。

循环工况与电机高效区域分布情况对能耗影响较大，在NEDC工况下后驱车能耗略高于四驱动态分配方式的车型；而在WLTC工况下，结果则是相反。造成动态四驱分配与后驱优势不明显的一个原因是修正优化后的分配系数为满足实际分配合理性，牺牲了部分最优分配点；另外一个原因是前、后电机高效区域分布和工况工作点需求匹配程度。

3 结论

本文针对双电机四轮驱动纯电动汽车转矩分配进行了研究，提出基于效率最优的分配计算方法。通过两种工况的仿真试验对比分析，均证明本分配法是有效的，具有实际应用的意义，能够达到降低工况能耗的目的。

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Simulation analysis of torque distribution of four-wheel-drive pure electric based on optimal efficiency

Yang Yinan1, Gao Li2

( 1.Brilliance Automotive Engineering Research Institute Electronics Control Engineering Section, Liaoning Shenyang 110411; 2.Brilliance Automotive Engineering Research Institute New Energy Engineering Section, Liaoning Shenyang 110411 )

In this paper, aiming at optimizing energy consumption, the optimal dynamic torque split is studied for the electric vehicle with front and rear motors. In the first part, for the driving and braking conditions, and according to the braking regulations, the dynamic response of the motors and the drivability performance of the vehicle, a feasible torque spilit calcula -tion and optimization method is proposed. In the second part, with cyclic operations simulation, the energy consumption is analyzed between this torque split method and fixed proportion split. And by the comparing with the results of the two methods, the proposed method is effective to optimizing energy consumption.

Electric vehicle;Torque split;Efficiency optimizing

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.005

U467

A

1671-7988(2021)06-15-03

U467

A

1671-7988(2021)06-15-03

杨依楠，工学硕士，工程师，华晨汽车工程研究院处长、技术总监，研究方向为新能源电控系统开发。