輪轂電機(jī)客車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能比較

周夢(mèng)來， 胡榮俊， 張景玲， 周廣波

(揚(yáng)州亞星客車股份有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225000)

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有可獨(dú)立控制、響應(yīng)快和效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]，已成為電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。本文以某型純電動(dòng)樣車為原型，設(shè)計(jì)其輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，解析其差速控制策略，然后采用Cruise軟件進(jìn)行仿真分析，比較輪轂、輪邊和直驅(qū)三種構(gòu)型的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

1 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，該純電動(dòng)客車后軸采用兩個(gè)輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，來自動(dòng)力電池的電能經(jīng)過高壓四合一控制器(含高壓配電、氣泵、油泵、DC/DC)后通過電源分配器(PDU)分成2路高壓電，分別給左右輪轂電機(jī)供電。整車控制功能由整車控制器(VCU)和動(dòng)力總成控制模塊(PCM，含電子差速功能)共同負(fù)責(zé)，其中VCU負(fù)責(zé)制動(dòng)系統(tǒng)(ABS或EBS)、轉(zhuǎn)向角度傳感器(SAS)、換擋器(DNR)、動(dòng)力電池、四合一等整車零部件的狀態(tài)監(jiān)控與控制；PCM負(fù)責(zé)輪轂電機(jī)的控制，制動(dòng)踏板和加速踏板通過硬線與PCM相連。由于輪轂電機(jī)內(nèi)置逆變器，從而有效精簡(jiǎn)了高壓節(jié)點(diǎn)，可以抑制電控EMC對(duì)整車低壓系統(tǒng)的干擾。

圖1 整車輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)由動(dòng)力總成控制模塊(PCM)、整車控制器(VCU)、制動(dòng)系統(tǒng)(ABS或EBS)、換擋器(DNR)、轉(zhuǎn)向角度傳感器(SAS)等組成，如圖2所示。其中BMS、VCU、SAS、ABS、DNR采用J1939與PCM進(jìn)行通信；兩電機(jī)采用獨(dú)立CAN與PCM通信。

圖2 整車通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.3 整車驅(qū)動(dòng)控制策略

如圖1所示，VCU發(fā)出運(yùn)行指令后，PCM通過CAN讀取擋位狀態(tài)，當(dāng)擋位狀態(tài)為D或者R擋，駕駛員踩下AP時(shí)，與AP硬線連接的PCM會(huì)根據(jù)預(yù)存的整車動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到一個(gè)基本的整車扭矩需求值，然后根據(jù)不同的工況將扭矩需求分配給左右輪轂電機(jī)控制器，再控制輪轂輸出對(duì)應(yīng)扭矩完成驅(qū)動(dòng)控制。主要的三種控制策略如下：

1) 良好路面直線行駛。PCM根據(jù)SAS的轉(zhuǎn)向角度輸出信號(hào)，判定轉(zhuǎn)向角度為0，此時(shí)兩個(gè)輪轂電機(jī)扭矩各按整車扭矩需求值的一半分配[2]。

2) 轉(zhuǎn)向過程中的差速控制。PCM根據(jù)SAS的轉(zhuǎn)向角度輸出信號(hào)，判定轉(zhuǎn)向角度不為0，此時(shí)根據(jù)預(yù)存的整車動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算兩個(gè)輪轂電機(jī)的扭矩分配值。即轉(zhuǎn)向過程中全部車輪圍繞一個(gè)瞬時(shí)中心點(diǎn)做圓周滾動(dòng)，這就是輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)廣義上的差速控制過程[3-4]。

3) 實(shí)時(shí)的道路狀態(tài)識(shí)別。PCM實(shí)時(shí)獲取ABS或EBS發(fā)送的轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過與車速的比較運(yùn)算得到滑移率參數(shù)，進(jìn)而對(duì)兩輪的驅(qū)動(dòng)扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，從而形成差速閉環(huán)控制。這在轉(zhuǎn)向差速控制或直線行駛同速控制(左右車輪附著力不一致)過程中都非常重要[5]。

PCM中的電子差速控制策略詳見1.4節(jié)。

1.4 PCM電子差速控制策略

機(jī)械差速控制是當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，左右車輪受到的道路阻力不一致，差速器的行星齒輪繞著半軸轉(zhuǎn)動(dòng)并發(fā)生自轉(zhuǎn)，從而吸收阻力差，使車輪能夠以不同的速度旋轉(zhuǎn)，其實(shí)就是使兩側(cè)車輪斷開耦合來實(shí)現(xiàn)不等速。而電子差速是基于電控的方式控制各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速，使車輪以不同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，在達(dá)到轉(zhuǎn)向目的的同時(shí)保證車輪不發(fā)生滑移，做純滾動(dòng)運(yùn)行[6-7]。

圖3為輪轂電機(jī)的差速控制模型，其中扭矩參考值Tref根據(jù)油門踏板AP的輸入計(jì)算得到，V為實(shí)時(shí)車速，α為SAS輸入的轉(zhuǎn)向角，ωl、ωr為動(dòng)力學(xué)模型推導(dǎo)得到的左右輪轂電機(jī)速度，ωl′、ωr′為ABS輸入的實(shí)時(shí)輪邊轉(zhuǎn)速，外環(huán)輸出ΔTl、ΔTr是根據(jù)轉(zhuǎn)向角、車速、輪速推導(dǎo)出的基本差速轉(zhuǎn)矩控制參數(shù)，內(nèi)環(huán)通過滑移率對(duì)左右輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩進(jìn)行修正，Tl、Tr為經(jīng)過差速、滑移率修正后的扭矩。直線行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向角輸入角度為0，ωl=ωr，此時(shí)外環(huán)差速控制不起作用，內(nèi)環(huán)根據(jù)路面滑移狀態(tài)實(shí)時(shí)修正左右輪轂電機(jī)的扭矩，當(dāng)路面滑移率保持一致時(shí)，左右輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩相等；當(dāng)滑移率不一致時(shí)，滑移率大的驅(qū)動(dòng)輪實(shí)時(shí)降低扭矩以降低轉(zhuǎn)速，滑移率小的驅(qū)動(dòng)輪實(shí)時(shí)增加扭矩以增加轉(zhuǎn)速，這樣系統(tǒng)可通過自調(diào)節(jié)功能讓車輛實(shí)現(xiàn)直線行駛。轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向角度輸入不為0，通過車輛動(dòng)力學(xué)模型可以得到ωl≠ωr，此時(shí)外環(huán)差速控制有效，輸出差速控制轉(zhuǎn)矩，內(nèi)環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)控左右車輪的滑轉(zhuǎn)狀態(tài)，輸出修正扭矩，參考扭矩經(jīng)過差速控制轉(zhuǎn)矩與滑移率修正扭矩的矯正后得到最終的驅(qū)動(dòng)扭矩，從而讓車輛實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向差速控制功能。這里只分析差速功能的控制，電機(jī)控制采用電流或速度閉環(huán)控制不作討論。

圖3 差速控制模型

2 動(dòng)力系統(tǒng)性能比較

2.1 仿真模型搭建

為了比較輪轂電機(jī)與其他驅(qū)動(dòng)形式的性能差異，本文對(duì)輪轂、輪邊和直驅(qū)三種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)型進(jìn)行性能仿真分析，構(gòu)型差異如圖4所示。

Cruise 軟件是一款用于車輛動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)性能仿真的高效、快速、便捷的測(cè)試工具，是目前主流的車輛性能開發(fā)應(yīng)用軟件。本文采用Cruise軟件搭建輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)的整車仿真模型，如圖5所示。

利用圖5同樣可以進(jìn)行其他兩種驅(qū)動(dòng)形式的仿真分析：如果仿真輪轂電機(jī)，需將圖5虛線框中減速器的減速比設(shè)置為1，傳動(dòng)效率設(shè)置為100%；如果仿真直驅(qū)電機(jī)，需將圖5虛線框中的模型替換成圖4(c)中的直驅(qū)電機(jī)構(gòu)型，輸入對(duì)應(yīng)的主減速比和效率即可。整車控制器模塊的輸入為制動(dòng)踏板開度、油門踏板開度、車速、加速度等信號(hào)，輸出為2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩值(如果是直驅(qū)，只輸出一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩值)和4個(gè)制動(dòng)器的制動(dòng)壓力。整車運(yùn)行過程中根據(jù)動(dòng)力電池SOC、車速、加速度實(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)扭矩和制動(dòng)扭矩的大小，模塊采用C語(yǔ)言編制控制策略。

2.2 動(dòng)力總成參數(shù)

為了客觀地比較不同驅(qū)動(dòng)形式對(duì)整車性能的影響，本文將三種驅(qū)動(dòng)形式的電機(jī)總驅(qū)動(dòng)功率設(shè)置為同樣大小，其他參數(shù)見表1。其中輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速小、扭矩大，系統(tǒng)中有兩個(gè)；輪邊電機(jī)轉(zhuǎn)速大、扭矩小，系統(tǒng)中有兩個(gè)；直驅(qū)電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速介于輪轂和輪邊電機(jī)之間，系統(tǒng)中只有1個(gè)；車橋承載噸位同為13 t，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)沒有減速器，即速比為1，輪邊驅(qū)動(dòng)的減速器速比為13.92，直驅(qū)的主減速比為6.143。

表1 電機(jī)參數(shù)

圖6為三種電機(jī)效率的MAP圖。從圖中可以看出，輪轂電機(jī)高效區(qū)域集中在高速部分小扭矩區(qū)域，最高效率為94%；輪邊電機(jī)的高效區(qū)域集中在額定轉(zhuǎn)速右側(cè)區(qū)域，最高效率為95%；直驅(qū)電機(jī)的高效區(qū)域集中在額定轉(zhuǎn)速右側(cè)和額定扭矩附近，最高效率達(dá)到了96%。從電機(jī)效率上看輪轂電機(jī)并不占優(yōu)勢(shì)，但從驅(qū)動(dòng)鏈(如圖4所示)上分析，輪轂電機(jī)沒有減速器帶來的4%～7%的效率損失；而直驅(qū)構(gòu)型有主減速器和傳動(dòng)軸的效率損失，一般在6%～10%。因此，從理論上可以判斷出輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)更節(jié)能，直驅(qū)電機(jī)最不節(jié)能。

(a) 輪轂電機(jī)(b) 輪邊電機(jī)(c) 直驅(qū)電機(jī)

2.3 仿真結(jié)果及分析

動(dòng)力性仿真項(xiàng)目為0～50 km/h加速、最高車速、最大爬坡度；經(jīng)濟(jì)性仿真項(xiàng)目為40 km/h等速工況和中國(guó)典型城市公交循環(huán)(CCBC)工況的每公里能耗[8]。輸入12 m純電動(dòng)客車相關(guān)參數(shù)，在Cruise中進(jìn)行仿真，結(jié)果見表2。

表2 動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真數(shù)據(jù)

動(dòng)力性方面，爬坡度差異較大是因?yàn)檩嗇炿姍C(jī)是外轉(zhuǎn)子電機(jī)，在低速大扭矩方面有先天的優(yōu)勢(shì)；加速時(shí)間差異不大是因?yàn)檩嗇炿姍C(jī)沒有傳動(dòng)損失，所以加速時(shí)間有一定的優(yōu)勢(shì)；純電動(dòng)客車的最高車速一般由驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)鏈的速比共同決定，因此以最高車速作為動(dòng)力性比較意義不大。總體上看，輪轂電機(jī)較強(qiáng)，直驅(qū)電機(jī)較弱，輪邊電機(jī)的動(dòng)力性介于二者之間。

經(jīng)濟(jì)性方面，由表2可以看出，輪轂電機(jī)的能耗都比較有優(yōu)勢(shì)，直驅(qū)電機(jī)能耗最高，與理論分析一致。其中三者的CCBC工況能耗比等速工況能耗差異要大，是因?yàn)榈人贂r(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)只有一個(gè)工況點(diǎn)，而在CCBC工況對(duì)應(yīng)的電機(jī)工況點(diǎn)是動(dòng)態(tài)變化的，即引起的傳動(dòng)系效率差異更大，從而導(dǎo)致三者的能耗差異更大。

綜上分析，輪轂電機(jī)的整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性更具優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了輪轂電機(jī)的電氣架構(gòu)和差速控制策略，并基于12 m純電動(dòng)城市客車進(jìn)行仿真分析，比較了輪轂電機(jī)、輪邊電機(jī)和直驅(qū)電機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)性能。結(jié)論是輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)形式在整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性上都能達(dá)到較高的水平。