分布式驅動電動汽車的開發和行駛能耗優化分析＊

陳辛波劉浩鐘再敏王心堅谷成

（同濟大學新能源汽車工程中心）

分布式驅動電動汽車的開發和行駛能耗優化分析＊

陳辛波劉浩鐘再敏王心堅谷成

（同濟大學新能源汽車工程中心）

論述了分布式驅動電動汽車性能，并以試制的樣車為研究對象，在四輪轉鼓試驗臺上進行了行駛特性試驗，表明了其百公里加速時間為12 s以內、最高車速在150 km/h以上的優越性。為提高整車能量利用率及延長續駛里程，提出了行駛能耗優化方法，并通過仿真對比分析了多種轉矩分配策略下的行駛能耗。結果表明，所提出的優化方法可減少3.41%的能耗，從而提高了整車行駛效率，延長了行駛里程。

1 前言

在諸多電動汽車拓撲結構中，分布式驅動電動汽車在實現零排放、低污染的同時，又具有傳動鏈短、驅動效率高的特點。其電機既是信息單元（提供轉速、轉矩信息），同時又是控制執行單元（實現驅動力和制動力的快速調節），可實現在傳統汽車上難以實現的一些高性能控制功能，大大改善電動汽車的能源利用率和行駛性能[1，2]。

常見的分布式驅動電動汽車有兩種拓撲結構，一種采用輪轂電機進行驅動，如“UOT Electric March II”和“春暉”系列電動汽車等[2，3]，目前對操縱穩定性、行駛安全性以及行駛效率優化方法等方面的研究主要針對此類電動汽車[4～8]；另一種為前輪轂電機驅動、后輪邊電機驅動的電動汽車[9]，可綜合利用輪轂電機和輪邊電機的優點，拓撲結構更合理，但目前對此類電動汽車的研究尚少。為此，針對某分布式驅動電動汽車的開發、試制和性能試驗進行了研究，并對其行駛特性進行了分析。

2 一種分布式驅動電動汽車開發

在開發了系列輪轂驅動電動汽車的基礎上，與某公司合作開發了一種分布式驅動電動汽車，其結構如圖1所示。該車前輪采用輪轂電機直接驅動，后輪采用帶減速器的輪邊電機驅動，整車為燃料電池發動機和動力蓄電池的電電混合驅動模式。整車控制系統（Vehicle Management System，VMS）通過CAN總線向電池管理系統（Battery Management System，BMS）、燃料電池控制系統（Fuel Cell Control System，FCCS）和各電機控制器發送控制信號，并接收電池SOC、電池溫升、電池電壓電流、燃料電池電壓電流、氫氣壓強、電機轉速和轉矩等反饋信號。采用這種拓撲結構的優勢之一在于能夠通過合理的能量管理及轉矩分配策略，充分發揮輪轂電機和輪邊電機各自的優勢，使其運行在工作高效區，從而提高整車行駛效率。

3 試驗樣車試制及性能試驗

根據設計要求，在確定系統各參數后，選配零部件試制了分布式驅動電動汽車的試驗樣車HWA4，樣車HWA4主要參數見表1，圖2為樣車HWA4及其采用的單擺臂懸架-減速器-輪邊電機驅動系統和電機控制器等。整車采用獨立可控的輪轂電機和輪邊電機，峰值功率分別為15 kW和25 kW，總功率為80 kW。其中，輪邊高速電機通過一減速器輸出轉矩并驅動車輪。采用21 Ah的電池組和額定功率15 kW的燃料電池堆為能量源，通過DC/DC或DC/AC為驅動電機和其它電子器件提供能源。在目前的能量管理策略中，燃料電池起增程器作用，當蓄電池SOC降至一定值時開啟并進行充電；當SOC上升到設定值后關閉燃料電池；當系統需求功率較大時增加燃料電池輸出功率以保證性能。

表1 樣車HWA4基本參數

樣車試制完成后，在四輪轉鼓試驗臺上進行了百公里加速和最高車速等性能試驗，其中的1組試驗數據如圖3所示。由圖3可看出，該樣車的百公里加速時間在12 s以內，而最高車速在150 km/h以上，性能較優越。

4 整車行駛能耗優化方法

在車載能源有限的情況下，汽車行駛效率的高低是決定其續駛里程的關鍵因素。為提高整車能量利用率及延長續駛里程，對其行駛能耗優化方法進行了研究。

驅動電機的總消耗功率P可表示為：式中，Pf為輪轂電機驅動系統消耗的總功率；Pr為輪邊電機驅動系統消耗的總功率；U為電機工作電壓；Ii為輪轂電機驅動系統工作電流；Ij為輪邊電機驅動系統工作電流，i∈{fl，fr}，j∈{rl，rr}。

輪轂電機驅動系統的工作效率ηi為：

式中，ωi為輪轂電機轉速；Ti為輪轂電機轉矩；Pi為輪轂電機消耗功率。

則輪轂電機驅動系統消耗的總功率Pf可表示為：式中，Ifl和Ifr分別為左、右輪轂電機電流；ωfl和ωfr分別為左、右輪轂電機轉速；Tfl和Tfr分別為左、右輪轂電機轉矩；ηfl和ηfr分別為左、右輪轂電機效率。

同理，輪邊電機驅動系統的工作效率ηj可描述為：

式中，ωj為輪邊電機驅動系統輸出轉速（減速器輸出軸轉速）；Tj為輪邊電機驅動系統輸出轉矩（減速器輸出軸轉矩）；Pj為輪邊電機消耗功率。

與一般的輪轂電機驅動式電動汽車不同，樣車HWA4采用輪邊電機加減速器的系統驅動后輪，所以需考慮減速器的效率特性。因此，輪邊電機驅動系統的效率為電機效率與減速器效率的乘積：

式中，ηjm為輪邊電機效率；ωjm為輪邊電機轉速；Tjm為輪邊電機轉矩；ηjG為減速器效率；ωjG為減速器輸入轉速；TjG為減速器輸入轉矩。

根據式（1）、式（4）和式（5），則輪邊電機驅動系統消耗的總功率為：

式中，Irl和Irr分別為左、右輪邊電機電流；ωrl和ωrr分別為左、右輪邊電機驅動系統轉速；Trl和Trr分別為左、右輪邊電機驅動系統轉矩；ωrlm和ωrrm為左、右輪邊電機轉速；Trlm和Trrm分別為左、右輪邊電機轉矩；ηrlm和ηrrm分別為左、右輪邊電機效率；ηrlG和ηrrG分別為左、右輪邊減速器效率；ωrlG和ωrrG分別為左、右輪邊減速器轉速；TrlG和TrrG分別為左、右輪邊減速器轉矩。

電機的工作效率與其當前的工作轉矩和轉速有關，樣車HWA4采用的輪轂電機效率map圖和輪邊電機效率map圖的試驗數據如圖4所示。

根據相關文獻[10]可知，減速器的工作效率也與當前工作轉矩和轉速有關，根據試驗數據，樣車HWA4采用的減速器效率特性如圖5所示。

根據式（1）、式（3）和式（6）可得到整車行駛消耗的功率為：

式中，ωf為輪轂電機驅動系統輸出轉速；Tf為輪轂電機驅動系統輸出轉矩；ωr為輪邊電機驅動系統輸出轉速；Tr為輪邊電機驅動系統輸出轉矩；ηf為輪轂電機效率；ηm為輪邊電機效率；ηG為減速器效率。

設T為整車行駛總需求轉矩，λ為分配給輪轂電機的轉矩系數，0≤λ≤1，可得：

因前、后車輪轉速相同，所以可得：

根據式（9）～式（12），則式（8）可轉化為：

因此，在已知電機和減速器效率特性（ηf、ηm和ηG）的基礎上，在閉區間[0，1]中選擇轉矩分配系數λ使g（λ）的值最小，便可以使總行駛能耗P′最小。同時，輪轂電機和輪邊電機在工作過程中不能超過其峰值功率，約束條件為:

驅動工況下輪轂電機和輪邊電機的轉矩-轉速特性曲線（峰值）如圖6所示。根據此轉矩分配方法求出λ后，便可根據汽車行駛需求轉矩和電機實際轉速對輪轂電機和輪邊電機的轉矩進行合理分配。

5 能耗優化方法的驗證

為驗證能耗優化方法對整車行駛經濟性的優化效果，基于樣車HWA4建立了分布式驅動電動汽車行駛能耗仿真模型，考察車輛模型在電機轉矩平均分配方法、基于載荷分布的轉矩分配方法和基于能耗最佳的轉矩分配方法等3種策略下的經濟性，包括電機效率、電機工作點、減速器效率、工況行駛能耗等指標。

3種轉矩分配方法為：

a.轉矩平均分配方法是指4個電機的驅動轉矩大小相同，是較常用的轉矩分配方法；

b.基于載荷分布的轉矩分配方法是根據整車的前、后載荷分布情況來確定前、后電機分配的轉矩大小，該樣車的前、后載荷分配為3/8和5/8，因此行駛中分配給輪轂電機的轉矩為總轉矩的3/8，而分配給輪邊電機的轉矩為總轉矩的5/8（樣車HWA4在轉鼓試驗中采用此方法）；

c.基于能耗最佳的轉矩分配方法則為整車行駛能耗優化方法。

根據式（14）和式（15）及電機效率、減速器效率等數據編程計算得到的轉矩分配系數λ如圖8所示。

試驗時采用的行駛工況為EUDC工況，如圖8所示。在不同的轉矩分配方法下，行駛一個循環工況后得到的整車能耗如圖9所示。相比轉矩平均分配方法，基于載荷分布的轉矩分配方法能夠減少0.91%的能耗，而基于能耗最佳的轉矩分配方法則可減少3.41%的能耗，可見其能夠提高整車行駛效率，延長行駛里程。

6 結束語

分布式驅動電動汽車傳動鏈短、高效，在提高整車操縱性、安全性及改善能量利用率等方面更具潛力。試制了某分布式驅動電動汽車樣車，經四輪轉鼓試驗表明，其百公里加速時間和最高車速等性能指標符合設計要求。結合輪轂電機、輪邊電機和減速器的動態效率特性，利用所提出的能耗優化方法可減少電動汽車的能耗，延長續駛里程。

1Hao Liu，Xinbo Chen，Xinjian Wang.Overview and prospects on distributed drive electric vehicles and its energy saving strategy.Przeglad Elektrotechniczny，07a：122-125，2012.

2Xinbo Chen，Hao Liu，Feng Tang，et al.Research on the drive module of the distributed drive electric vehicle//The 2nd IFToMM Asian Conference on Mechanism and Machine Science，Tokyo，Japan，2012.

3Yoichi Hori.Future vehicle driven by electricity and control researchonfour-wheel-motored“UOTElectricMarchII”，IEEE TransactionsonIndustrialElectronics，Vol.8（5）：954-967，2004.

4He P，Hori Y，Kamachi，et al.Future motion control to be realized by in-wheel motored electric vehicle//The 31st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society，IECON 2005，Raliegh，South Carolina，USA.

5Yee-pien Yang，Chun-pin Lo.Current distribution control of dual directly driven wheel motors for electric vehicles. Control Engineering Practice，2008，16（11）：1285～1292.

6Fujimoto H，Fujii K，Takahashi N.Traction and yaw-rate control of electric vehicle with slip-ratio and cornering stiffnessestimation.IEEEProceedingsofthe2007 American Control Conference，2007：5742-5747.

7王博，羅禹貢，范晶晶，等.基于控制分配的四輪獨立電驅動車輛驅動力分配算法.汽車工程，2010，32（2）：128～132.

8余卓平，張立軍，熊璐.四驅電動車經濟性改善的最優轉矩分配控制.同濟大學學報，2005，33（10）：1355～1356.

9鐘再敏，陳辛波，王心堅，等.一種分布式驅動電動汽車動力系統布置的拓撲結構.中國，201120084385.6，2011.

10盧志堅.電動汽車傳動系統能耗特性的理論分析與仿真研究:[學位論文].上海：同濟大學，2013.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2014年4月27日。

Development and Driving Energy Consumption Optimization of A Distributed Drive Electric Vehicle

Chen Xinbo，Liu Hao，Zhong Zaimin，Wang Xinjian，Gu Cheng
（Clean Energy Vehicle Engineering Centre，Tongji University）

Performance of distributed driving electric vehicle is discussed in the paper，and driving characteristic test is performed to a prototype as research object on four-wheel drum dynamometer，which demonstrates less than 12 seconds of 0～100 km acceleration，maximum vehicle speed of over 150 km/h of the electric vehicle.To improve vehicle energy utilization rate and extend driving range，driving energy optimization method is put forward，which is analyzed under multiple torque distribution strategies by simulation and comparison.The results show that the proposed optimization can reduce energy consumption of 3.41%，thus improve vehicle driving efficiency and extend driving range.

Distributed drive electric vehicle,Driving energy,Optimization

分布式驅動電動汽車行駛能耗優化

U469.72

A

1000-3703（2014）07-0039-05

863計劃項目-輪邊電驅動系統關鍵零部件及其底盤應用技術研究（SS2012AA110701）；973計劃子課題-輪邊驅動電動汽車電源與電驅動系統能耗規律與能量管理（2011CB711202），面向中美清潔能源合作的電動汽車前沿技術研究項目（2010DFA72760-306）。