前后軸雙電機電動汽車轉矩分配優化策略

漆星 王群京 陳龍 操進 張倩 李國麗

摘 要：針對前后軸雙電機電動汽車的效率提升問題，在對前后軸雙電機方案效率特性研究的基礎上，設計了基于電機效率最優和基于電池效率最優的前后輪雙電機轉矩分配方法。研究發現這兩種效率最優的方法在轉矩分配上存在沖突現象，因此，采用一種多目標粒子群優化算法求得同時兼顧電機效率和電池效率的最優策略，從而避免兩種策略同時工作時出現的競爭現象。仿真和實驗結果表明，采用多目標粒子群優化算法的前后軸雙電機轉矩分配方案可以提高電動汽車的系統效率和續航里程。整車動力學分析表明，采用多目標粒子群優化算法的前后軸雙電機轉矩分配方案不會對整車的穩定性和平順性產生影響。

關鍵詞：分布式驅動;前后軸雙電機;效率最優;轉矩分配;多目標粒子群算法

DOI：10.15938/j.emc.2020.03.008

中圖分類號：TM 315文獻標志碼：A文章編號：1007-449X（2020）03-0062-09

Abstract：The promotion of front and rear independent drive strategy efficiency is discussed， and two efficiencyoptimized of front and rear motor torque distribution strategies are proposed， which concern not only the motor but also the battery′s efficiency. Meanwhile， a multiobjective particle swarm optimization was used to make sure both of the above efficiencyoptimized strategies work without conflict. The multiobjective particle swarm optimization strategy was verified both in simulation and experiment， and the results show that the proposed strategy can improve electrical vehicles efficiency and endurance mileage. Also， the vehicle dynamics analysis shows that the proposed strategy will not affect the stability and smoothness of the vehicle.

Keywords：distributed electrical vehicle drive; front and rear independently drive; efficiencyoptimized; torque distribution; multiobjective particle swarm optimization

0 引 言

隨著中國經濟持續穩定的增長，汽車保有量也在不斷上升，但也導致了一系列污染和環境的問題，而電動汽車的發展，可以有效的解決上述問題。相對于傳統車的集中驅動方式，電動汽車采用電機驅動，具有結構緊湊，響應迅速，控制精確度高等特點，并且可以采取多個電機配置的分布式驅動方式。相對于單電機驅動方式而言，分布式驅動方式可以增強電動汽車的驅動力和地面附著力，同時，通過對多個電機的分別控制可以提高整車的行駛自由度，因此在近年來受到了學者們的關注。在分布式驅動中，由于電機個數較多，需要合理的設計電機運行策略，使所有電機盡量都運行于高效區。余卓平等[1]提出了基于輪轂電機效率最優的轉矩分配優化策略，并對其進行駕駛循環工況的模擬仿真，仿真結果表明可將總體能效提高3個百分點。鄒廣才等[2]為改善四輪獨立驅動電動車輛的動力學特性，提出一種縱向力優化方法，基于模糊理論設計了以質心側偏角為權重的多目標優化條件，從而提高了整車的穩定性和操縱性。歐陽明高等[3]提出了基于永磁無刷輪轂電機損耗最優模型的轉矩分配策略，并進行了仿真和實驗驗證。續丹等[4]考慮到不同的駕駛需求，提出了經濟性、穩定性等多個目標函數，并對此進行優化。

然而，現有的文獻中，大多僅僅針對電機的效率進行優化，并未考慮到電池的效率。例如，Yuan Xibo[5]和J.Kim[6]基于電機的總損耗最小原則，對不同結構的分布式驅動電機轉矩分配策略進行了研究。事實上，整車的效率和續航里程不僅和電機的效率相關，同時也和電池的效率相關。在分布式驅動方案效率優化中，不僅要考慮電機的總體效率，同時也要考慮電池的效率。鑒于此，本文設計了一種前后軸雙電機的分布式驅動方案（front and rear independently drive，FRID），在此基礎上論證了基于電機效率最優的轉矩分配策略和基于電池效率最優的轉矩分配策略，進而針對上述兩種策略的競爭沖突現象，研究了一種多目標粒子群優化算法，實現了電機與電池的總體效率最優，從而達到降低系統能耗，增加續航里程的要求。

1 前后軸雙電機驅動方案

1.1 分布式驅動方案

分布式驅動方案根據電機個數的不同具有多種結構設計。雙電機左右輪驅動方案結構圖1（a）、圖1（b）所示，通過安裝在前（后）輪上的兩臺電機進行驅動，并進行電子差速控制，從而使整車獲得轉向穩定性[7-8]。另一種四輪驅動方案如圖1（c）所示，4個車輪均加裝輪轂電機，可以實現四輪獨立驅動[9-10]。

6 結 論

分布式驅動電動汽車方案充分利用了電驅動系統的靈活性，幾年來受到學者們的關注。在所有的分布式驅動方案中，前后軸雙電機方案在成本，改裝難度上較其他分布式驅動方案更具優勢，更適合于現階段的開發。在前后軸雙電機的分布式驅動方案中，前后軸電機的轉矩分配策略是研究的關鍵問題，特別是基于整體效率和續航里程提升的前后軸電機轉矩分配方案近年來更是電動汽車發展的難點和重點問題。基于上述問題，本文所做的工作有：

1）基于電機效率最優，設計了雙電機效率最優轉矩分配方案，盡可能將電機運行工況均配置在高效區內，從而減少電機損耗。

2）基于電池效率最優，設計了雙電機最大轉矩/電流比轉矩分配策略，使得單位轉矩所消耗的電流最小，從而使電池效率盡可能提高。從而提高續航里程。

3）設計了一種多目標優化方案，有效解決了上述兩種策略的競爭問題，實現整體效率的優化。為分布式驅動電動汽車的效率優化策略提供了新的思路。

參 考 文 獻：

[1] 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[J]. 同濟大學學報：自然科學版， 2005， 33（10）：1355.

YU Zhuoping， ZHANG Lijun， XIONG Lu .Optimal torque distribution control for economic improvement of four wheel drive electric vehicle[J].Journal of Tongji University;Natural Science Edition， 2005， 33（10）：1355.

[2] 鄒廣才， 羅禹貢， 李克強. 四輪獨立電驅動車輛全輪縱向力優化分配方法[J]. 清華大學學報：自然科學版， 2009（5）：719.

ZHOU Guangcai， LUO Yuguan， LI Keqiang. Optimal allocation method for all wheel longitudinal force of four wheeled independent electric drive vehicle[J]. Journal of Qinghua University;Natural Science Edition，2009（5）：719.

[3] 盧東斌， 歐陽明高， 谷靖，等. 四輪驅動電動汽車永磁無刷輪轂電機轉矩分配[J]. 清華大學學報自然科學版， 2012（4）：451.

LU Dongbin， OUYANG Minggao， GU Jing， et al. Torque distribution of permanent magnet brushless hub motor for fourwheel drive electric vehicle[J] Journal of Qinghua University; Natural Science Edition，2012（4）：451.

[4] 續丹， 王國棟， 曹秉剛，等. 獨立驅動電動汽車的轉矩優化分配策略研究[J]. 西安交通大學學報， 2012， 46（3）：42.

XU Dan， WANG Guodong， CAO Binggang， et al. Research on torque optimal allocation strategy of independent drive electric vehicle[J] Journal of Xi'an Jiao Tong University，2012， 46（3）：42.

[5] YUAN X， WANG J. Torque distribution strategy for a frontand rearwheeldriven electric vehicle[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2012， 61（8）：3365.

[6] KIM J. Optimal power distribution of front and rear motors for minimizing energy consumption of 4wheeldrive electric vehicles[J].International Journal of Automotive Technology，2016，17（2）：319.

[7] NOVELLIS L D， SORNIOTTI A，GRUBER P，et al. Comparison of feedback control techniques for torquevectoring control of fully electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2014， 63（8）：3612

[8] 熊璐， 余卓平， 姜煒. 基于縱向力分配的輪邊驅動電動汽車穩定性控制[J]. 同濟大學學報：自然科學版， 2010， 38（3）：417.

XIONG Lu， YU Zhuoping， Jiang Wei. Stability control of wheel drive electric vehicle based on longitudinal force distribution[J]. Journal of Tongji University： Natural Science Edition，2010， 38（3）：417.

[9] OSBORN R P，SHIM T.Independent control of allwheeldrive torque distribution [J]. Vehicle System Dynamics，2006， 44（7）：529.

[10] KANG J， KYONGSU Y， HEO H. Control allocation based cptimal torque vectoring for 4WD electric vehicle[J].SAE Technical Paper series：2012-01-0246.

[11] MUTOH N，KAZAMA T，TAKITA K.Driving characteristics of an electric vehicle system with independently driven front and rear wheels [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2006， 53（3）：803.

[12] MUTOH N.Driving and braking torque distribution methods for front and rearwheelindependent drivetype electric vehicles on roads with low friction coefficient[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2012， 59（10）：3919.

[13] 黃萬友，程勇.變工況下電動汽車驅動系統效率優化控制[J].電機與控制學報，2012，16（3）：53.

HUANG Wanyou， CHENG Yong. Optimization control of electric vehicle drive system efficiency under variable conditions [J]. Electric Machines and Control，2012，16（3）： 53.

[14] 熊璐， 陳晨， 馮源. 基于Carsim/Simulink聯合仿真的分布式驅動電動汽車建模[J]. 系統仿真學報， 2014， 26（5）：1143.

XIONG Lu， CHEN Chen， FENG Yuan.Modeling of distributed drive electric vehicle based on cosimulation of Carsim and Simulink[J]Journal of System Simulation，2014， 26（5）：1143.

（編輯：賈志超）