基于效率最優的四驅純電動轉矩分配仿真分析

楊依楠，高力

基于效率最優的四驅純電動轉矩分配仿真分析

楊依楠1，高力2

（1.華晨汽車工程研究院電控工程處，遼寧 沈陽 110411；2.華晨汽車工程研究院新能源工程處，遼寧 沈陽 110411）

文章針對前、后雙電機動力分布式純電動汽車，以優化能量消耗為目標，如何合理的動態分配前、后軸轉矩的問題進行了研究。首先依照制動法規、驅動電機動態響應和車輛縱向平順性等要求，提出切實可行的分配計算與優化方法，并且區分驅動和制動兩種工況。之后采用循環工況仿真驗證的方法，進行能耗分析。通過與固定分配方法結果的對比，驗證了所提分配方法有效性。

電動汽車；扭矩分配；效率最優

前言

與單電機純電動汽車相比，前、后雙電機動力系統存在能耗優化的可能性，這是由于轉矩動態分配比例的引入，增加了一個優化維度。如何合理地進行動態轉矩分配是有意義的實際問題。本文提出切實可行的分配計算與優化方法，應用典型循環工況進行能耗仿真分析。

1 驅動系統效率最優的分配方法

分布式電驅動汽車力矩分配策略主要有：路面附著消耗率最小的分配方法、理想驅動力矩的分配方法和驅動系統效率最優的分配方法[1~3]。其中驅動系統效率最優方法是本文要進行研究的方法，其可定義為在車輪端相同的總轉矩和車速需求條件下，即需求輸出功率一定時，動力系統實際輸出功率與輸入功率的比值最大，系統效率最大。滿足系統效率最大的前、后電機轉矩值就是驅動效率分配問題的最優解。

驅動系統效率最優分配求解計算的基本假設：

（1）車輛左、右兩側車輪的轉矩是相等，僅考慮前、后軸車輪的分配，不考慮轉向對分配的影響。

（2）前、后軸車輪采用相同輪胎幾何尺寸，也即前、后軸車輪的滾動阻力系數相等，不會因此而影響轉矩分配[4,5]。

（3）驅動工況，前、后軸轉矩分配不考慮低附著路面上驅動輪的滑轉，也不考慮是否滿足理想轉矩分配要求。

[4]制動工況，前、后軸轉矩盡量有利于提高制動能量回收率[6]。

為便于分配計算，將前、后電機轉速和轉矩通過車速和速比關系公式（1）（2）和轉矩和速比關系公式（3），轉化到前、后車軸處。

式中：u為車輛行駛速度，km/h；ω、ω和ω分別為前、后電機和車輪轉速，rpm；為車輪滾動半徑，m；ig_、ig_分別為前、后電機各自至對應車軸的總減速比。

u取得最高車速為前、后電機最高轉速計算出車速中最小的。

式中：T、T分別為前、后電機傳遞至各自車軸的驅動轉矩，Nm；T為前、后電機傳遞至各自車軸驅動轉矩之和，Nm。

定義前軸車輪的轉矩分配系數k為前軸分配車軸轉矩與驅動車輪總轉矩之比，則有前、后車輪轉矩滿足公式（4）。

則驅動系統最優問題是在一定轉速（即一定車速）下，通過選取合理w數值，使得驅動系統效率最大，也即使公式（5）最大。

求解最優問題的約束方程為：

式中：T、T為分別當前轉速ω下前、后軸電機傳遞至各自車軸的最大轉矩。約束方程的意義是分配后的前、后軸電機轉矩都不能超過當前轉速下電機的最大輸出轉矩。

通過求解有約束的優化函數，可以得到前軸轉矩分配系數k，再根據總轉矩需求T利用公式（4）計算得到前、后軸的車輪轉矩T和T。

圖1是在轉速ω=500rpm時的分配系數隨驅動轉矩變化曲線。可以看出，驅動轉矩240Nm~360Nm附近微小變化時，分配系數在1和0之間變化，也即在此區間內轉矩微小變化，驅動形式會在前驅和后驅變化。

為滿足這樣快速動態變化，則須對動力電機系統快速響應和控制精度提出極為苛刻的要求。如果前、后電機實際響應特性存在較大差異，需求轉矩快速在兩軸間變化時，易導致轉矩波動，車輛將會出現縱向和俯仰振動，平順性下降。

圖1 優化前、后轉矩分配系數曲線對比

造成這種不合理分配的原因是驅動效率最優方法本身，方法求解數值解最優，并不能反映實際合理性。

為了降低轉矩分配變化敏感性，本文提出一種改進方法。具體講，在一定轉速下，求取某一軸驅動轉矩分配函數極大值，得到若干極大值點。隨著需求轉矩增加，逐個地將各個極大值點之后轉矩值修正為極大值。進行前、后軸的分配轉矩調整后，再計算得到合理轉矩分配系數，圖1中所示。從低轉速到高轉速范圍，重復上述步驟，得到轉矩分配系數Map如圖2所示。

圖2 優化驅動工況轉矩分配系數Map

2 優化分配方法仿真驗證與分析

仿真驗證選取NEDC和WLTC循環工況進行。仿真初始SOC均為85%。

表1 兩種循環工況下三種分配方式結果

表1是兩種四驅分配方式和后驅方式的仿真結果，可以發現無論是NEDC，還是WLTC工況，采用動態比例分配方式比固定比例的能耗小。

循環工況與電機高效區域分布情況對能耗影響較大，在NEDC工況下后驅車能耗略高于四驅動態分配方式的車型；而在WLTC工況下，結果則是相反。造成動態四驅分配與后驅優勢不明顯的一個原因是修正優化后的分配系數為滿足實際分配合理性，犧牲了部分最優分配點；另外一個原因是前、后電機高效區域分布和工況工作點需求匹配程度。

3 結論

本文針對雙電機四輪驅動純電動汽車轉矩分配進行了研究，提出基于效率最優的分配計算方法。通過兩種工況的仿真試驗對比分析，均證明本分配法是有效的，具有實際應用的意義，能夠達到降低工況能耗的目的。

[1] 武冬梅.分布式驅動電動汽車動力學控制機理和控制策略研究[D].長春:吉林大學汽車工程學院,2015:29-54.

[2] 彭慶豐.基于雙離合耦合機構的四驅混合動力整車控制策略研究[D].合肥:合肥工業大學,2014:56-64.

[3] 王達.增程式電動汽車的動力分布設計方法與控制策略研究[D].長春:吉林大學汽車工程學院,2016:91-108.

[4] 余志生.汽車理論第三版[M].北京:機械工業出版社,2000.

[5] M.米奇克.汽車動力學第四版[M].北京:清華大學出版社,2009.

[6] Y.Gao and M.Ehsani, Electronic braking system of EV and HEV- integration of regenerative braking,automatic braking force control and ABS,in Proceedings of the SAE 2001 Future Transportation Technology Conference, Paper No.2001-01-2478, Costa Mesa, CA, Aug.2001.

Simulation analysis of torque distribution of four-wheel-drive pure electric based on optimal efficiency

Yang Yinan1, Gao Li2

( 1.Brilliance Automotive Engineering Research Institute Electronics Control Engineering Section, Liaoning Shenyang 110411; 2.Brilliance Automotive Engineering Research Institute New Energy Engineering Section, Liaoning Shenyang 110411 )

In this paper, aiming at optimizing energy consumption, the optimal dynamic torque split is studied for the electric vehicle with front and rear motors. In the first part, for the driving and braking conditions, and according to the braking regulations, the dynamic response of the motors and the drivability performance of the vehicle, a feasible torque spilit calcula -tion and optimization method is proposed. In the second part, with cyclic operations simulation, the energy consumption is analyzed between this torque split method and fixed proportion split. And by the comparing with the results of the two methods, the proposed method is effective to optimizing energy consumption.

Electric vehicle;Torque split;Efficiency optimizing

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.005

U467

A

1671-7988(2021)06-15-03

U467

A

1671-7988(2021)06-15-03

楊依楠，工學碩士，工程師，華晨汽車工程研究院處長、技術總監，研究方向為新能源電控系統開發。