纯电动客车的双轴电机驱动扭矩分配策略
2023-01-13欧阳智郑志敏刘逸群
孙 炜， 欧阳智， 郑志敏， 刘逸群
(中车时代电动汽车股份有限公司， 湖南 株洲 412007)
对于12 m及以上的大型纯电动客车而言，单电机单轴驱动系统由于底盘结构与电机能力限制，在坡道起步、加速超车、地面湿滑等工况下无法正常满足驾驶员与整车的驱动需求，而双轴驱动电动汽车的驱动系统通过驱动扭矩分配策略[1-4]，实现前后两个电机匹配协调工作，有着良好的性能优势[5-7]。
本文提出一种针对大型纯电动客车的双轴双电机驱动扭矩分配策略，该策略基于电机外特性，实时根据整车车况、驾驶员需求等输入进行双电机的驱动扭矩分配，在满足整车动力性的基础上提高经济性，为电动汽车研发提供参考。
1 动力系统与控制
1.1 动力系统选型及架构
本文研究的18 m铰接纯电动客车从两个方面进行动力系统选型：
1) 驱动形式。大体上可分为带有多挡变速器的电机直驱、仅有主减速器的电机直驱和轮边/轮毂电机驱动。轮边/轮毂电机驱动需要对电机进行精准差速控制，在纯电动大客车上难以达到理想的效果；带多挡变速器的电机直驱，有着复杂的传动结构，会增加成本并降低可靠性；而仅有主减速器的电机直驱结构能够通过多电机性能匹配来满足整车动力性与经济性需求，并且成本较低，更容易进行精准控制。所以本文选择仅有主减速器的电机直驱结构。
2) 多电机性能匹配。可以分为相同型号电机与不同型号电机的组合。相比于相同型号电机的组合，采用不同型号电机的组合可以根据电机的驱动效率图进行更精细的匹配，在满足动力性需求的前提下，有望达到更低的能耗。本文基于前期性能与成本评估，选择了前后轴不同型号的电机组合方案：前轴作为主驱动轴，布置型号为MD2021、额定功率为165 kW的大功率双绕组直驱电机；后轴作为动力增强轴，布置型号为MD2007、额定功率为70 kW的单绕组直驱电机。
本文研究的18 m铰接纯电动客车动力系统架构如图1所示。其中：整车控制器(VCU)通过采集电机控制器(MCU)、电池管理系统(BMS)等的信息以及驾驶员意图,采取相应的策略控制整车动力系统；BMS管理高压动力电池包，以并联方式分两路给前电机MCU与后电机MCU供电；动力电池电能在前后电机控制器的调制下转换为三相交流电，给前后驱动电机提供能量。
图1 18 m铰接纯电动客车动力系统架构
1.2 整车控制结构
根据图1所示的整车动力系统架构设计的整车控制结构如图2所示，其中：
1) 信号输入模块。包括相关信号输入组成的CAN信号输入通道[8-9]、开关量输入通道、模拟量输入通道。信号输入模块为整车控制各功能模块提供逻辑输入。
2) 信号处理模块。CAN信号输入在该模块进行报文滤波与解析；开关量信号输入根据需求在该模块进行有效性滤波；模拟量信号输入在该模块转化为对应的数字量信号。信号处理完成后进行整合，输出到后续整车功能模块。
3) 整车上下电管理模块。该模块接收BMS与前后MCU的高压接触器状态、高低压上下电等输入信号，控制BMS与前后MCU的高压接触器的闭合与断开，进行整车高低压管理。
4) 驾驶意图解析模块。该模块采集挡位开关、加速踏板与制动踏板开度等输入信号，解析出驾驶意图，为相关部件提供控制依据。
5) 双电机扭矩控制模块。该模块采集前后MCU电流、电机转速等状态信号计算当前动力系统能力，再根据获取的驾驶意图以及整车工况，计算出当前目标扭矩并进行分配，最后通过CAN报文分别控制前后电机扭矩输出。
图2 整车控制结构图
1.3 驱动扭矩控制
1.3.1 双轴电机驱动工作模式
考虑到前后电机的外特性曲线以及整车动力性需求，本文的双电机驱动系统有三种工作模式：
1) 在低速超车、坡道起步等低速驱动扭矩需求大的工况下，前后双电机均需输出驱动扭矩共同驱动。
2) 当车速适中时，前电机作为大功率主驱电机，单独驱动即可满足整车动力需求，且电机工作在高效区，提高了整车经济性。
3) 当在高速行驶的状态下有加速需求时，前后双电机均需输出驱动扭矩共同驱动，以保证整车动力性。
1.3.2 双轴电机驱动峰值总扭矩计算
根据上述工作模式，计算当前转速下的双电机驱动峰值总扭矩Tm，可表示为
(1)
式中:Tfp、Trp分别为前、后轴电机峰值扭矩;nfs为前轴电机独立工作的电机转速阈值(小于后轴电机的额定转速nrr);nfr为前轴电机的额定转速;Pfp、Prp分别为前、后轴电机峰值功率。
1.3.3 双轴电机需求总扭矩计算
整车驱动驾驶意图的直接体现为加速踏板开度的变化。不同电机转速下，双电机需求驱动总扭矩Tn可以表示为
Tn=Tm·D
(2)
式中:Tm为式(1)计算出的双电机驱动峰值扭矩;D为加速踏板开度。
式(2)能够在驱动系统能力足够的情况下实时响应驱动意图。
1.3.4 双轴电机驱动扭矩分配策略模型
在不考虑传动轴机械损耗以及电机空载损耗的情况下，根据前后轴电机同时工作或单独工作来计算相应的双电机驱动输入功率Pn与实际输出功率Pr：
(3)
(4)
式中：Pfo、Pro分别表示前、后轴电机输出功率；ηf、ηr分别表示前、后轴电机效率。
双电机驱动系统总体效率ηd的计算公式为
ηd=Pr/Pn
(5)
电机驱动系统功率P与扭矩T、电机转速n的关系为
P=nT/9 550
(6)
将式(3)、(4)、(6)代入式(5)可将双电机驱动系统的总体效率ηd表示为
(7)
式中:μ为前轴电机驱动扭矩占双电机驱动总扭矩的分配系数；nf、nr分别为前、后轴电机实时转速。
式(7)为双电机驱动系统的总体效率ηd与双电机驱动扭矩分配系数μ的函数模型。
本文前轴电机与后轴电机属于直驱电机，且主减速比都为6.2，因此nf=nr，简化式(7)可得：
(8)
综合式(1)～(8)可以得到本文的双电机驱动扭矩分配策略模型为
(9)
式中:ηdm为双电机总体效率ηd的最大值；Tfn、Trn为双电机总体效率最高情况下分别分配给前、后轴电机的驱动扭矩。
2 仿真分析
2.1 仿真模型建立
按以下步骤建立仿真模型：
1) 将双轴电机驱动扭矩分配策略封装成Simulink功能模块，整合到Simulink双电机控制模型中，并向AVL Cruise开放模型所需的输入与输出接口。
2) 运用AVL Cruise建立整车仿真模型[10-11]，并在模型中导入整车、电机、电池参数，再分别运行AVL Cruise任务界面中的最大能力加速工况和中国典型城市公交循环工况[12](CCBC)的能耗仿真任务。两个仿真任务车速变化快、变化范围广，能够充分切换双电机扭矩工作模式，验证双电机驱动扭矩分配策略的效果。
3) 将AVL Cruise仿真分析运行时的各个参数、加速踏板开度、电机转速等作为上述1)中所述的Simulink双电机控制模型输入，然后Simulink模型分别计算出前后电机驱动目标扭矩并输出给AVL Cruise整车仿真模型，完成联合仿真。整体架构如图3所示。
图3 联合仿真模型架构
2.2 仿真分析
传统的双电机平分驱动扭矩策略(下文表示为策略2)是指在全工况下整车驱动扭矩都会平分给前后电机，该策略实现简单且通用性强，但无法使电机灵活工作在高效率区。本文基于1.3节中的双电机效率的驱动扭矩分配策略(下文表示为策略1)与策略2分别进行整车动力性与经济性仿真分析：
1) 0～50 km/h的加速时间。在上述联合仿真模型中运行最大能力加速任务，加速踏板开度在1 s内以线性增长方式达到最大值并保持，直到车速上升至50 km/h时，仿真任务结束。由仿真结果可知：两种策略加速时间都在9 s左右，且最大爬坡度都能达到24.8%，无明显差异。
其中，在策略1的情况下，整车起步时的驱动需求总扭矩较大，当车速低于前电机独立工作的车速阈值(30.4 km/h)时，双电机驱动工作模式进入模式1，前后双电机基于双电机工作总效率最大原则实时分配驱动扭矩并输出；当车速达到前电机独立工作的车速阈值时，双电机驱动工作模式进入模式2，此时前电机单独工作效率更高，双电机同时工作切换为前电机单独工作，切换时整车加速略微受到影响；当车速达到前轴电机的额定转速(43.5 km/h)时，此时整车处于高速加速状态，双电机驱动模式进入模式3，前后双电机基于双电机工作总效率最大原则实时分配驱动扭矩并输出。
另外，由理论分析可知，在起步爬坡性能方面，由于策略1与策略2的驱动需求总扭矩相等，且此阶段策略1的工作模式一直为第一种，没有进行模式切换，与策略2同属于双电机共同驱动，区别在于双电机的扭矩分配系数不同，所以策略1与策略2在起步爬坡性能上无明显差异，故没有必要单独进行联合仿真分析。
总体而言，策略1与策略2在整车动力性上无明显差异。
2) 将CCBC循环工况路谱导入到上述联合仿真模型[13]，运行CCBC循环工况能耗仿真任务。仿真结果见表1。
表1 CCBC循环工况能耗仿真结果
从表1可知：在CCBC循环工况下，本文提出的策略1是基于双电机效率进行驱动扭矩分配，相较于传统的策略2，策略1能有效减少整车能耗。
3 结 论
本文提出一种针对大型纯电动客车的双轴双电机驱动扭矩分配策略，该策略能够基于双电机工作效率，结合整车工况、驾驶员意图等进行双轴电机驱动扭矩分配；并通过AVL Cruise-Simulink联合仿真进行整车动力性与经济性仿真。结果表明，本文的双轴双电机驱动扭矩分配策略在满足车辆整车动力性的基础上能提高经济性，符合设计预期。
