双电机电动汽车扭矩分配的动态控制策略

电动汽车在国家政策的支持下，已经逐渐成为了汽车产业的支柱，同时电动汽车的能效一直备受重视，国家补贴方案切实与能效紧密联系。所以纯电动汽车能效提升一直是行业追逐的目标。单电机单速比总成类型的纯电动汽车，由于电驱动系统及传动系统效率具有定型后无法改变的特点，所以，该类型动力总成的效率优化，只能从零部件自身的角度进行突破，无法从系统层面，通过分配手段进行能效的优化。余卓平[1]等，通过研究四轮轮毂驱动的总成类型下经济性改善的问题，对四轮转矩的合理分配来时先系统效率最优的目的；李聪波[2]等通过机械耦合结构，将双电机输出轴耦合作用于单轴驱动，制定双电机转速转矩分配策略；杨胜兵[3]等分析了前后双电机动总结构，并进行了动总匹配，制定了简易的控制策略，完成了有效性的验证，但并未考虑前后轴扭矩的分配策略，整车经济性也暂未考虑。

本文中描述了一种前后轴分别由一个电机进行驱动的双电机总成类型的电动车如图1所示：

图1 双电机总成类型电动车

该类型电动车具有以下特点：双电机一般具有不同的效率区间，且峰值扭矩和峰值功率不同；前后轴配置一级减速机构，一般前后速比不同。本文中研究了前后电驱动系统在不同车速下的效率特点，实现了基于车速、整车负荷决策的前后轴扭矩分配控制。其控制思想为：在前后轮共同驱动的情况，通过调整前后轴电机扭矩的分配，达到系统效率最佳的目的。本文采用理论分析对系统效率最优进行描述，用仿真手段针对某车型进行分析。确定了前后轴电机转矩最优控制方法。针对不同驾驶工况的仿真分析，比较定比例分配和优化的前后轴扭矩分配对系统效率的影响。分析结果表明：优化的前后轴扭矩分配能够提升双电机驱动的系统效率。同时，该方法易实现，具有较好的实用意义。

2 系统效率最优分析

前后轴电机选型后，车辆实现驱动功能，满足驾驶员的扭矩请求，理论上，在前后轴之间可以任意比例进行扭矩分配来满足驾驶员扭矩的目标，但是，从经济性最优的角度出发，可以找出不同车速、驾驶员扭矩请求下的最优效率的前后轴扭矩分配。

以某在研车型为例，前后电驱动系统效率如图2所示，前减速比为

后减速比

，轮胎转动半径Rtyre，前轴分配扭矩占总需求比例为factor, 驾驶员总需求扭矩为tqaxlereq，前轴系统损失功率为PlossF，后轴系统损失功率为PlossR，假设当前车速为VehSpd，nF，nR分别为该车速下对应的前后电机的转速，ηF和ηR分别为前后电驱动系统的效率。那么，前后轴系统最小能量损失，即优化目标为：

将前后轴转速用车速替代：

设定式中常数项为C：

即：

上述分析可知：不同的分配比例可以影响整车电驱动系统的效率；通过设定对不同的车速，负荷扭矩可以计算出最优效率分配系数。

3 最优效率下扭矩分配系数计算

上述分析，在驱动模式对不同车速，负荷扭矩在工况涉及全范围，依据电驱动系统效率曲线，进行系统效率最优化的计算，可以得到驱动模式下车速、 系统负荷的最优前后轴扭矩分配系数。如图3所示，驱动模式下最优扭矩分配系数（前轴/总需求），最优效率图。计算最优分配系数可以参考图4的流程图实现。

4 仿真分析

以某车型为基础，通过逆向仿真手段[4]，建立车辆型[5]。模型如图5所示。本文通过在NEDC，J1015，UDDS三个工况各仿真运行3个循环来分析本文的扭矩分配动态策略在整车驱动工况下的能量损失效果。仿真中，车辆的质量1810kg，动总系统：前驱电机峰值功率40kw，前驱单减速比7.7，后驱电机峰值功率95kw，后驱单减速比9.1；总能量为67kwh，设计续航里程为450km，假设车辆的能量回收功率为零，只考虑驱动工况下，车辆的驱动系统扭矩最优分配。在仿真中，以系统能量的损失来衡量算法的有效性，其中，系统能量损失定义为：用于驱动系统的电能与用于驱动的机械能差值。

图2 前后电机效率曲线

图3 驱动模式动态分配系数、最优效率图

图4 最优分配系数计算流程图

图5 车辆仿真模型

本文仿真中可以将驱动的驱动打滑时对驱动扭矩的限制等限制条件归结为车辆负荷发生变化，当车辆打滑时，车辆负荷请求减小，在负荷减小的情况，仍然可以计算出最优的前后轴分配系数。本文通过对比固定前后分配（k= 15%, 35%,50%, 65%, 85%），动态分配方案，可以得到如下表1结果。从表1中可以看出，在前后轴共同驱动时，前轴分配比例按照固定比例（15%，35%，50%，65%，85%等）系统能量损失均比扭矩分配动态策略能量损失大，在NEDC工况下，扭矩分配动态策略能量损失减少最多达25.9%（以分配系数65%系统损失能量为基础），J1015工况，能量损失减少达25%（以分配系数85%系统损失能量为基础），UDDS工况，能量损失减少25.9%（以分配系数50%系统损失能量为基础）。图6.1 为NEDC工况下，扭矩动态分配系数变化情况；图6.2为J1015工况下，扭矩动态分配系数变化情况；图6.3为UDDS工况下，扭矩动态分配系数变化情况。

图6.1 NEDC工况动态分配系数

图6.2 J1015工况动态分配系数

图6.3 UDDS工况动态分配系数

表1 不同工况下，不同分配方案的效果分析

5 结论

本论文重点研究了双电机驱动电动汽车在不同工况下，通过动态控制前后电机扭矩分配系数，让系统达到最优运行效率的问题，通过仿真数据分析，证实动态扭矩分配系数的方法在整车经济性最优化问题的有效性，对最优分配系数的实现进行了简要描述，具有较好的工程适用性，简单易行。

参考文献：

[1]余卓平，张立军，熊璐，等.四驱电动车经济性改善的最优转矩分配控制[J].同济大学学报：自然科学版，2005，33（10）：1355-1361.

[2]李聪波，陈文倩，赵来杰，肖卫红，等.面向能耗的纯电动汽车双电机动力系统控制策略[J].计算机集成制造系统，2018，24（5）：1098-1109.

[3]杨胜兵，宋鹏飞，毛冲冲，等.新型双电机分时独立驱动的纯电动汽车仿真分析[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2016，40（5）：651-655.

[4]王维.插电式四驱混合动力汽车的匹配与仿真建模[D]. 重庆：重庆大学，2015.

[5]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009.16-18.