電動客車輪邊驅動電機的轉矩分配控制策略研究

王 旭

（揚州亞星客車股份有限公司，江蘇 揚州 225116）

引言

隨著科技與社會的快速發展，全球環境污染和能源危機日益嚴重，新能源汽車取代傳統內燃機汽車是必然趨勢，在客車方面，新能源客車也正在逐步占領市場，分布式驅動客車作為一種新興的新能源車，也逐漸應用在市場中。

圖1展示了我國從2010年至2019年的新能源汽車銷量。據統計，2019年1月至12月，我國純電動汽車的生產量與銷售量分別為92.5萬輛和85.6萬輛，相較于2019年同時期增長51.8%和58.4%。根據預測國內2020年新能源汽車的銷量將達到175萬輛，同比增長41.5%。

1 分布式電動客車驅動力分配的介紹

分布式驅動客車以其相較于普通燃油客車的巨大的優勢，逐漸成為近年來新能源車領域的研究熱點，在其結構中，有四個電機分別布置于車輪側，通過調控每個車輪的驅動力矩來確保車輛控制的靈活性和準確性。 而對于電動機驅動轉矩控制是車輪驅動分布式客車的關鍵技術，其控制效果的好壞將會直接影響分布式客車的行駛狀態。在電動客車驅動控制方面，分布式客車在行駛時，轉矩控制策略會根據駕駛員的操作和路況，去調節驅動電機輸出的扭矩，驅動扭矩控制策略包括驅動扭矩分配控制策略和驅動防滑控制策略。 而對于驅動扭矩分配，具體又可以分為橫向和縱向驅動扭矩分配，即前后橋驅動扭矩分配和左右側驅動扭矩分配[1]。

圖1 近十年我國新能源汽車銷量

2 分布式驅動電動客車驅動電機的匹配

電機的動力參數應根據車輛的基本參數選定，本文以GTQ6105BEVBT3為例進行設計匹配（見表1）。

表1 參數數據

2.1 電機參數的計算

驅動電機的性能影響著分布式客車的經濟性和動力性，計算的主要參數包括：額定功率、峰值功率、額定轉矩、峰值轉矩等等。

2.1.1 峰值功率的計算

（1）按照整車性能參數表中的最高車速確定驅動電機的峰值功率，計算公式如下：

（2）按照如下公式確定輪轂電機的參數：

（3）根據最大爬坡度的要求按照如下公式計算驅動電機的峰值功率：

2.2 計算峰值轉速

電機的峰值轉速代表電機的無負載動力性能，根據表1中數據，確定電機的額定轉速，按照如下公式：

式中，b為車輪滾動半徑，n為電機轉速，ig為主減速器傳動比，vc為車速。

2.3 計算峰值轉矩

電機的峰值轉矩代表了電機在極限工況下的工作能力，其主要受制于車輛最大爬坡時的轉矩、啟動的最大轉矩、車輛變速比等因素，可根據如下公式計算：

式中：Pmax-v為電機峰值功率（kW）；Vc為最高車速（km/h）；A 為迎風面積（m2）；g為重力加速度（m/s"）；f為滾動阻力系數；傳動系統效率；m 為車輛質量（kg）；Vc為爬坡車速（km/h）；Cd為空氣阻力系數；a為道路坡角，單位為rad。

3 基于Cruise的整車模型建立

由于Cruise仿真軟件豐富的模塊化及建模方式、強大的功能等優點因此被廣泛應用于整車性能仿真。首先利用Cruise軟件搭建整車模型，從庫中調取差速器、動力電池、制動器、車輪等模塊，然后根據表，之后進行數據總線的連接。根據其中的參數對調取的各種模塊進行調節。建模仿真包括三個階段：前處理、任務計算和后處理。前處理包括方案設計、搭建模型、完成機械、電氣連接。任務計算包括添加目標、設計計算任務、仿真驗證設計計算的可行性。后處理包括對仿真結果查閱分析、優化設計方案。搭建好的模型如圖2：

圖2 Cruise整車模型

3.1 仿真工況的建立

在整車模型搭建完成后，設定好驅動力控制策略，然后將搭建完成的分布式客車模型在設定的路面工況下進行仿真，分析其動力性和經濟性，之后驗證動力系統參數的合理性，驗證控制策略的有效性。在Cruise中建立了如下幾種計算任務：

（1）首先是對車輛的動力性能進行仿真驗證，一是最大爬坡度的驗證。

（2）第二種情況是在車輛滿載的情況下測試車輛的加速試驗，驗證其極限工況下的動力性能。

（3）接下來為了驗證車輛是否能滿足所要求的續航里程，設計循環工況來驗證。

（4）最后為了驗證分布式客車在最高車速下穩態行駛的能力。為了分布式客車在收到控制策略的控制下在不同路面工況的燃油消耗。這里復合工況采用多路面工況，中間段采用多個高速公路工況，在模擬路況的兩端分別采用典型的中國城市公交路段和一段 EUDC城郊道路工況進行復合模擬。由此，一段構建了城市、市郊及高速等多種路況特征的循環工況信息建成，總里程為290km，平均車速為72.5km/h，最高車速88.5km/h[3]。

3.2 電機的控制策略及優化

然后設置對整車VCU模塊對扭矩分配的控制策略：

（1）使用查表的方法，VCU根據接收到的車速、油門踏板行程等信號，計算得到四個電機所需要的總制動力矩和驅動力矩。

（2）接下來計算兩種特殊工況下。第一種是當分布式驅動電動客車的制動踏板行程為0、油門踏板行程不為0時，分布式客車接收到信號，VCU發出控制指令，客車進入驅動模式。通過計算得到所需的總驅動扭矩與后輪雙電機驅動允許最大扭矩值相除，得到分布式客車的負荷率系數 p，其取值范圍為 0～1。然后將該系數與汽車進入四輪驅動模式的閾值相比較，如果計算所得系數比預先設定的系數大，分布式客車進入四電機驅動模式；如果系數小于閾值則進入后輪雙電機驅動模式。

（3）第二種情況是當制動踏板行程不為0、油門踏板行程為0時，VCU檢測到信號觸發制動模式。在客車進入制動模式后，VC重復步驟（2）對步驟（1）計算得到的總需求制動扭矩計算，得到四個電機分別需要的具體制動扭矩值[2]。

仿真輸出的電機轉矩分配圖如下：

圖3 四個電機轉矩分配對比

4 總結

本文選取了分布式客車的基本參數，然后根據選定的參數對電機的額定轉矩、峰值轉矩、額定轉速、峰值轉速、峰值功率等參數進行了計算。之后使用Cruise軟件對分布式客車進行整體建模，然后對客車進行基于經濟性和動力性的電機驅動策略優化。最后通過仿真驗證。根據仿真分析的轉矩圖可以看出受到基于經濟性的轉矩分配策略分布式客車在不同的行駛狀態下分配比也不同，但都有效地提高了客車的經濟性和動力性。