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纯电动汽车双模耦合驱动系统的最优参数匹配
作为一个纯电动汽车传动系统的重要发展方向,分布式驱动系统具有结构紧凑，传动效率高的优点和操纵灵活等优点，但是也有一些严重的问题，比如驱动电机的高性能要求，复杂的操作策略，和较差的可靠性。为了解决这个问题，起初两个汽车双模耦合传动系统已经被开发出来，其不仅有双速齿轮转动的能力，而且还可以自动切换分布式驱动和集中驱动的模式变化控制。因此，它可以减少驱动电机的性能要求，单方面的分布式驱动系统故障造成的不正常运行的问题也可以可以通过更换集中驾驶的驱动模式来解决。然后，主要的系统参数和基于最优效率的原则下的最优匹配也被实现，这使驱动系统实现预定的功能和满足不同的操作状态的实际需求。最后，安装有双模耦合驱动系统的纯电动汽车的经济性比较，单发动机集中驱动系统或双分布式驱动系统在模拟条件下已经完成。相比于其他系统，由设计好系统来驱动的电动汽车的驾驶范围的显著增加，证明了系统的更好的效率和应用价值。
纯电动汽车，双模耦合驱动系统，最优参数匹配，遗传算法
1简介
根据车轮驱动转矩的来源，纯电动汽车的驱动模式能分为集中式和分布式。集中式驱动技术相对成熟，但是其驱动力通过差速器大约均分在左右两轴；大多数车辆的单个车轮的驱动力是不能单独调整的。不安装其他传感器和控制机制的情况下很难进行车辆运动学和动力学控制[1]。近年来分布式驱动技术正在逐步形成。因为车轮和发动机之间的大部分机械零件被替换，分布式驱动系统具有结构紧凑，传动效率高的优点[2]。同时,电机的精确的转矩响应可以增加现有车辆控制系统，例如, 防抱死制动系统(ABS),牵引力控制系统(TCS),电子稳定控制(ESC),和其他先进车辆运动/稳定控制系统[3-6]。基于上述优点,分布式驱动成为重要的电力驱动技术的发展方向。
在结构和控制上分布式驱动系统相比集中式有许多优点，但也有一些严重的缺陷。因为多速传输难以匹配现有的分布式驱动系统，所以车辆动力学完全由驱动电机决定。一方面，在爬坡度，加速度，高速之间难以平衡。另一方面,在汽车的突然加速或爬陡坡时,电机过热和自保护的现象有可能发生,这将威胁到交通安全。此外，由于转矩自动平衡分配机制，如差分，被删除在分布式驱动电动汽车同轴驱动轮之间，每一个车轮的驱动转矩完全由相应的驱动系统确定。为了确保车辆的运行于预期相一致，每个驱动系统的输出转矩必须处于动态控制，且与复杂的控制策略相一致[7]。为了确保车辆直线行驶，旋转速度和车辆两边的发动机总的驱动转矩必须近似相等。所以，在大多数的车辆行驶情况下，发动机工作在同一个低效率区域，这将影响分布式驱动电动汽车的实际驾驶效率。同时，作为一个拥有多组分的大型系统，一些部分不够成熟或失败可能会以多种情况出现。与操作环境的变化一起的是，许多类型的故障现象可能发生在分布式驱动系统。一旦所有的分布式驱动电动汽车处于左边或右边的驱动系统在剧烈的驾驶环境中失效，车辆将产生由单侧驱动引起的具有偏离航线的瞬态不稳定[8]。在那时，正常工作的驱动系统的驱动转矩必须迅速减少，有时候为了保持车辆恢复稳定运行，刹车强制补偿控制也是需要的[9]。由于分布式驱动电动汽车同轴驱动轮之间缺乏转矩自动平衡机制的事实，导致任何非结构化的控制措施将无法使车辆回到高速稳定运行。因此，确保车辆的可靠性，广泛使用的是集中驱动系统，而不是分布式的驱动系统[10]。
从上面的分析，我们可以发现，分布式驱动系统仍存在一些不能自己解决的结构性缺陷。虽然机械结构简单，但是它的实际驱动效率不是必然的比安装有多速传输的集中式分布系统高。再说，一或两套驱动系统故障会导致分布式驱动电动汽车的异常运行，使汽车的可靠性和安全性大大降低，使这种汽车发展受到严重阻碍。总的来说，对于一个分布式驱动电动汽车，为了有效的解决在所有的单边驱动系统故障中的改善驱动效率和保持高速稳定运行的方案需要被紧急提出。要从根本上解决上述问题，我们打算开发一双发动机双模耦合驱动系统，它不仅具有双速齿轮的转换能力，而且也也可以自动切换分布式驱动和集中驱动模式来变更控制。有了上述功能，因为单侧分布驱动系统故障产生的运行异常问题有望通过用集中驱动替换驱动方式来解决；驱动电机和控制强度的性能要求也可以减少。虽然最初的原理结构和控制逻辑已经于几年前提出，扭矩传输特性分析和仿真验证已经完成，可是在模式切换机制的结构设计和关于深入开展理论研究及样机试验的先觉条件的技术参数选择的长远研究上是缺乏的。
首先，基于初步研究，具体的双模耦合驱动系统结构和它的模式切换机制在本文中已被研究出来。其次，为了验证驱动系统的实际性能，通过选择特定的目标车辆和驾驶条件以及基于最优化的效率原则上，参数优化匹配的驱动系统已经完成，关于分布式驱动和集中式驱动的驱动电机的转矩分配策略及最优选择方法已经论述过。最后，安装有双模耦合驱动系统，单电机集中驱动系统，或者双电机分布式驱动系统的经济模拟比较已经完成，证明了双模耦合驱动系统的优越性。它奠定了新型驱动系统的应用基础。
2系统配置设计
设计的双模式耦合驱动系统显示在图1。两个发动机相对排列。驱动转矩通过变速器和双轴被传递给车轮。通过两个微型马达驱动的模式切换机制是安装在传动装置上的。这种独特的驱动系统可以有效地解决空间布局问题，减少版本变更难度。马达和变速器固定在车身上，以避免轮毂电机驱动的不足[13]。
图1 该双模耦合驱动系统配置
传输的内部结构在图2。一流的驱动齿轮由多个轴承固定在壳传动并且连接到基于双位移套筒的电轴。一个对称行星齿轮差速器被当作换模装置的核心装置。二等传动齿轮分别由花键连接到差速器半轴。中央减速器的传动比大于两侧减速器。两个换挡拨叉驱动转换套筒用来实现模式转换。
图2 传输的内部结构
模式转换的外部和内部结构机制如图3所示。齿轮选择装置的蜗杆减速系统是由电机驱动的，其驱动轴向上、向下移动选择目标驱动模式。换档装置的蜗轮减速系统由变速电机驱动。换档拨叉拨动通过手指固定在减速器齿轮轴上，向左或向右滑动实现模式切换。
图3 模式切换机制的外部和内部结构 （a）外部结构 （b）内部结构
模式切换后的功率传输路径如图4所示。当车辆需要运行在高速或湿滑的道路上，两台电机需要连接到相邻的侧减速器，如图4（ａ）所示。当时，由于中间减速器的约束已被取消，在传输的双方传递扭矩不受差速器运动的影响；两个车轮的驱动转矩完全由驱动电机的输出转矩确定。因此，该车辆的驱动方式将成为分布式驱动，它有利于应用程序的动态稳定性控制。当其中一个电机故障时，在驱动系统的相对侧上的同轴驱动模式可能会自动改变为集中的驱动器，如图4（ｂ），这将避免了分布式驱动系统的缺点，可能会出现异常驾驶造成的一个电机意外故障。同时，当车辆运行在低速、小负荷的情况下，使一个电机连接到中间减速器，驱动方式将成为单电机的集中传动。当增加负载和车辆需要高的加速或爬坡能力时，使两者的发动机连接到中间减速器和驱动方式将成为双电机联合集中传动，如图4（ｃ）。类似的混合动力车，主电机提供了大部分的驱动力，副电机可以自适应地调整，以响应于其余的需求转矩根据驱动程序的意图和驾驶条件［１４］。
图4模式切换后的功率传输路径 （a）双电机分布式驱动(b) 单电机集中驱动 (c) 双电机联合集中传动
因为根据不同的条件选择不同的驱动方式，并且可以在动态控制下的转矩输出，所以可以提高车辆的经济性和稳定性。均等的安装有双速变速器，能有效的减少电机动态特性的需求以及显著增加车辆动态性能。因此，双模耦合驱动系统比任何其他驱动系统更为灵活、可靠。
３系统主要参数
３.１驱动电机参数
电机额定功率应确定，以确保在分布式驱动模式的车辆可以达到预期的最大速度Uamaxi，所以单驱动电机额定功率为Pme[ 15 ]
其中，eta;i是分布式驱动模式的传输效率，令eta;i=0.94；mj是车辆半负载质量；g是重力加速度，g=9.81m/s2;f是滚动阻力系数；CD是空气阻力系数；A是车辆锋区。驱动电机所提供的峰值功率应该满足起动、加速、最大速度和等级能力的综合所需。首先，由一个单一的驱动电机在加速过程中所提供的峰值功率Pmj可以反向计算的0 - 80公里/小时的加速时间t如下:
其中，UaTmaxi是模式改变是的车辆速度，它可以通过选择2种驱动方式的最大转矩曲线的交点来实现；delta;j和delta;i双驱动模式旋转质量换算系数；Uj和Ui是双电机联合集中驱动方式和分布式驱动方式的瞬时速度，单位是m/s。eta;j集中驱动方式取驱动效率，令其为0.92。在一个由一个单独的驱动电机在爬升过程中所提供的峰值功率Pmi计算在驱动模式的2个电机联合集中的驱动器，其为[15]
其中，Uai是车辆爬坡是的速度，amax是最大爬坡度，m1是车辆满载质量。
根据上述推导，由一个单一的驱动电机所提供的峰值功率应该满足的决定条件为
由一个单一的驱动电机所提供的峰值转矩Tdmax可能取决于车辆的最大爬坡度amax和最大加速度所需的转矩。由于驱动电机可以在低速运行时输出大扭矩，在车辆行驶时选择的驱动方式加速是双电机联合集中去驱动。如果驱动转矩Tdi满足爬坡需求，驱动转矩Tdj满足加速度需求，可根据集中驱动模式计算，有
其中ij是在集中传动方式下的第一级减速比，io是二级减速比。
车轮的最大驱动力可能符合路面附着条件的要求，所以
其中b是质心与后桥之间的距离；L是轮间距；r是车轮滚动半径；是路面摩擦系数，令其为0.75。电机额定转速nme和对应于峰值驱动转矩的转速nTdmax可以从以下公式计算：
两个小的永磁同步电机作为双模耦合驱动系统的驱动电机。电机额定转速nme的近似范围是2000-3000r/min；最大转速nmmax可以达到7000-8000r/min。然而，最终的参数可能是由选定的电机后所需的功率计算。
3.2减速器的传动比
根据汽车的预期性能和驱动电机的技术参数，在不同驱动方式下的总传动比，ioij和ioii可以初步确定。可以通过以下算出：
其中，ii是在分布式驱动模式一级减速比；uamaxj是集中驱动方式下的最高车速。从电机恒定功率区扩展的要求所选择的传输比，可以提高车辆的加速性能。
3.3电池组总容量
电池的容量Cb可从车辆的恒速驱动范围Sn计算，并可充分充放电，可得到如下：
其中Fdn是在特定车辆速度的驱动力，Uan是特定车速，eta;t是传输效率，eta;dn是驱动电机及其控制器的总效率，eta;dsg是电池放电效率，Uoc是电池开路电压。
3.4匹配效果分析
设计了一种双模式耦合驱动系统，采用了前轮驱动电动汽车。应达到的主要参数和动态指标如表1所示。
表1 参数和动态指标
|
名称 数值 |
控制质量 me(kg) 900
半负载质量mj(kg) 1080
车轮滚动半径r(m) 0.27
滚动阻力系数 f 0.015
质心与后桥的距离b(m) 1.22
0-50km/h加速时间t50 (s) 《6
集中驱动模式下的最大三十分钟速度uamaxj(km/h) 》80
最小车速uai(km/h) 》20
满负荷质量m1(kg) 1250
轴距L（m） 2.34
最大坡度alpha;max(%) 》30
空气阻力系数CD 0.32
车辆前锋区域面积A(m2) 1.9
50-80km/h加速时间t80(s) 《8
分布式驱动模式下的最高三十分钟速度uamaxi(km/h) 》100
60km/h行驶距离S(km) 》140
根据计算结果，驱动电机的技术参数如下。额定功率pmelt;
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