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一、前言
1.1 概述
相比燃料電池汽車，純電動(dòng)汽車由于發(fā)展時(shí)間更長(zhǎng)，儲(chǔ)能簡(jiǎn)單、安全，電池、電機(jī)和電控技術(shù)更成熟，更容易成為電動(dòng)汽車發(fā)展的突破口，因此受到各國(guó)政府及汽車企業(yè)的廣泛關(guān)注，目前純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化已成為國(guó)家和汽車企業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要方向和主要目標(biāo)。由于城市交通擁堵，在城市內(nèi)運(yùn)行的汽車時(shí)走時(shí)停，行車速度慢，造成環(huán)境污染嚴(yán)重。
公交車的路線和運(yùn)行時(shí)間相對(duì)比較固定，且每日行駛的總里程一般在 200km 左右，這種情況下純電動(dòng)客車的經(jīng)濟(jì)性和零排放特性相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車有很大優(yōu)勢(shì)，雖然相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)客車，其動(dòng)力系統(tǒng)增加了動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等一系列設(shè)備，從而增加了整車的質(zhì)量，但是相較于乘用車，這些變化帶來(lái)的問(wèn)題對(duì)于大型城市客車的影響較小，可以忽略不計(jì)。所以，許多專家認(rèn)為，純電動(dòng)汽車技術(shù)產(chǎn)業(yè)化可以先在城市公交車上實(shí)現(xiàn)。
圖 1.1 2014-2017 年中國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)銷量
1.2 電動(dòng)城市客車動(dòng)力總成
1.2.1 單電機(jī)動(dòng)力總成
現(xiàn)階段純電動(dòng)城市客車大多采用單電機(jī)動(dòng)力總成，包括一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速器（減速器）、電機(jī)控制器和動(dòng)力電池組等。單電機(jī)動(dòng)力總成具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易的特征，單電機(jī)動(dòng)力總成整車控制如圖 1.2 所示。
圖 1.2 單電機(jī)動(dòng)力總成整車控制示意圖
然而城市客車在行駛過(guò)程中存在多種工況，如起步工況、加速工況、爬坡工況、巡航工況、下坡工況、制動(dòng)減速工況等。單電機(jī)動(dòng)力總成無(wú)法很好達(dá)到整車動(dòng)力性要求中各項(xiàng)指標(biāo)均衡匹配，即使整車行駛工況恒定不變，也很難同時(shí)滿足整車最高車速和加速性能要求，即使采用 AMT 變速器來(lái)解決此問(wèn)題，但會(huì)出現(xiàn)換擋時(shí)動(dòng)力中斷的問(wèn)題，影響行駛平順性。要提高整車動(dòng)力性，單電機(jī)動(dòng)力總成只能提高電機(jī)功率，導(dǎo)致電機(jī)的質(zhì)量和外形尺寸會(huì)相應(yīng)地增加，并且高壓系統(tǒng)母線電壓或母線電流需要增大，對(duì)整車的安全性和電力電子器件的耐高壓性能提出更高的要求，增加了制造難度，提高了制造成本。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)也有高效工作區(qū)和低效工作區(qū)，電機(jī)效率與功率關(guān)系如圖 1.3 所示，電機(jī)運(yùn)行在高功率區(qū)、低轉(zhuǎn)速區(qū)和低轉(zhuǎn)矩區(qū)效率都較低，由于行駛工況的多樣性和復(fù)雜性，為了滿足多種行駛工況，單電機(jī)動(dòng)力總成無(wú)法一直運(yùn)行在高效率工作區(qū)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在低效區(qū)，直接降低了純電動(dòng)客車的續(xù)駛里程。
圖 1.3 電機(jī)效率 MAP 圖
1.2.2 雙電機(jī)動(dòng)力總成
所謂雙電機(jī)動(dòng)力總成是指在同一輛汽車上有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它們既可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車，也可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)汽車。雙電機(jī)動(dòng)力總成整車控制如圖 1.4 所示，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別由兩個(gè)電機(jī)控制器獨(dú)立控制，可以共用一個(gè)動(dòng)力電源，并沒(méi)有出現(xiàn)比單電機(jī)動(dòng)力總成多增加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)而導(dǎo)致整車動(dòng)力元件大幅增加的問(wèn)題。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的動(dòng)力通過(guò)動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行耦合，組合成多種驅(qū)動(dòng)模式，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)車輪。
圖 1.4 雙電機(jī)動(dòng)力總成整車控制示意圖
雙電機(jī)動(dòng)力總成的優(yōu)勢(shì)在于雙電機(jī)不僅能增大電機(jī)的負(fù)荷率，提高電機(jī)的效率，而且能夠增強(qiáng)整車動(dòng)力性以及提供良好的換擋平順性；另外，雙電機(jī)動(dòng)力總成也能減小高壓系統(tǒng)的母線電壓或母線電流，降低了單個(gè)電機(jī)的額定電壓或額定電流，使得動(dòng)力總成能量利用率提高，降低了電機(jī)的制造成本[4]。鑒于對(duì)純電動(dòng)城市客車安全性、可靠性、成本、效率及舒適性等方面的考慮，雙電機(jī)動(dòng)力總成具有各方面都非常均衡的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)十米及以上電動(dòng)城市客車和電動(dòng)旅游客車動(dòng)力總成發(fā)展的主要方向，并且還可適用于重型商用車，應(yīng)用面非常廣。
1.3 雙電機(jī)動(dòng)力總成國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
2010 年美國(guó)通用公司（GM）推出了 Volt 增程式電動(dòng)汽車（E-REV），采用 53kW 和70kW 永磁同步交流電機(jī)通過(guò)單排行星齒輪組成雙電機(jī)動(dòng)力總成，在純電模式下續(xù)駛里程可達(dá) 64km[4]。該雙電機(jī)動(dòng)力總成的優(yōu)點(diǎn)是采用轉(zhuǎn)速耦合方式進(jìn)行雙電機(jī)動(dòng)力合成，動(dòng)力總成有兩種運(yùn)行模式，車輛小負(fù)荷時(shí)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，減小了電機(jī)的固定損耗，車輛大負(fù)荷時(shí)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，優(yōu)化了電機(jī)的工作區(qū)間，系統(tǒng)效率較高，動(dòng)力性也較好。缺點(diǎn)是動(dòng)力元件較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，總體布置不易，制造成本較高。
美國(guó)人 Peter Parkinson 提出了“Peter Parkinson 雙電機(jī)動(dòng)力總成”，采用變速器配合兩個(gè)相同電機(jī)方案，通過(guò)齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)矩耦合[5]。該雙電機(jī)動(dòng)力總成的優(yōu)點(diǎn)是采用轉(zhuǎn)矩耦合的方式進(jìn)行雙電機(jī)動(dòng)力耦合，動(dòng)力總成有兩種運(yùn)行模式，車輛小負(fù)荷時(shí)由單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，車輛大負(fù)荷時(shí)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于沒(méi)有轉(zhuǎn)速耦合，無(wú)法很好地進(jìn)行電機(jī)工作區(qū)間的優(yōu)化，因此電機(jī)的系統(tǒng)效率較差，但動(dòng)力性較好，適合大轉(zhuǎn)矩工況，例如電傳動(dòng)履帶車輛。
美國(guó)人 Hall 提出了“汽車雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)總成”方案，由一個(gè)主電機(jī)和一個(gè)副電機(jī)組成，主電機(jī)直接與輸出端連接，副電機(jī)通過(guò)離合器與齒輪連接，然后齒輪與輸出端嚙合。此方案可以根據(jù)電動(dòng)汽車不同的行駛工況來(lái)選擇整車是由主電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，還是由主電機(jī)和副電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)[6]。該雙電機(jī)動(dòng)力總成的優(yōu)點(diǎn)是采用轉(zhuǎn)矩耦合的方式進(jìn)行雙電機(jī)動(dòng)力合成，動(dòng)力總成有兩種運(yùn)行模式，車輛小負(fù)荷時(shí)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，車輛大負(fù)荷時(shí)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但其驅(qū)動(dòng)模式較少，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作效率優(yōu)化困難。
1.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
2011 年?yáng)|方電氣集團(tuán)提出了“純電動(dòng)汽車雙電機(jī)動(dòng)力方案”，采用雙電機(jī)雙電池結(jié)構(gòu)，電池 A 通過(guò)電機(jī)控制器 A 與電機(jī) A 強(qiáng)電連接，電池 B 通過(guò)電機(jī)控制器 B 與電機(jī) B強(qiáng)電連接，而電機(jī) A 和電機(jī) B 輸出的動(dòng)力通過(guò)動(dòng)力耦合裝置進(jìn)行動(dòng)力耦合[7]。該雙電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速耦合的方式進(jìn)行動(dòng)力耦合，雖然系統(tǒng)效率較高，但是整車的動(dòng)力性較差，由于采用兩套動(dòng)力電池，動(dòng)力元件較多，制造成本較高。
北京理工大學(xué)提出的“雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛總成”方案，在驅(qū)動(dòng)輪旁安裝輪邊電機(jī)的方法，目前比亞迪 K8 和 K9 純電動(dòng)客車也是采用的此種布置方案[8]。該方案的優(yōu)點(diǎn)是供電系統(tǒng)布置靈活，底盤布置緊湊并且傳動(dòng)效率高，如果控制得當(dāng)，能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)驅(qū)動(dòng)力分配。缺點(diǎn)在于增加了整車非簧載質(zhì)量，操縱穩(wěn)定性會(huì)受到一定的影響，并且由于需要靠控制兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)差速，所以控制復(fù)雜。
2016 年武漢理工大學(xué)提出“雙電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)方案”，前電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)裝置與前橋機(jī)械連接，輸出的動(dòng)力用來(lái)驅(qū)動(dòng)前輪，后電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)裝置與后橋機(jī)械連接，其輸出的動(dòng)力用來(lái)驅(qū)動(dòng)后輪[9]。此方案可以根據(jù)純電動(dòng)汽車行駛工況來(lái)選擇整車是由前電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)還是后電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，或是由前電機(jī)與后電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)。該雙電機(jī)動(dòng)力總成的優(yōu)點(diǎn)是在相同的整車負(fù)荷下，采用兩臺(tái)小功率電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)前后軸，可以實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)工作點(diǎn)，使電機(jī)工作在高效率區(qū)間，從而提高了電機(jī)的工作效率，延長(zhǎng)了續(xù)駛里程，同時(shí)整車的動(dòng)力性和操控性可以得到一定提高，缺點(diǎn)是底盤布置困難，多用于高性能電動(dòng)乘用車。
1.4 主要研究?jī)?nèi)容與方法
本文以 12 米純電動(dòng)城市客車為研究對(duì)象，分析不同類型的雙電機(jī)動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)、原理及特點(diǎn)，選擇適合城市客車的雙電機(jī)動(dòng)力總成類型，制定相應(yīng)的控制策略；進(jìn)行動(dòng)力總成各項(xiàng)參數(shù)初步匹配計(jì)算，得到動(dòng)力總成各項(xiàng)參數(shù)后，采用粒子群算法對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；采用 CRUISE 仿真軟件對(duì)整車進(jìn)行動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能仿真，比較初步計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)與優(yōu)化后傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)整車動(dòng)力性能及經(jīng)濟(jì)性能的影響，分析本文匹配方法的合理性和有效性。
本文主要研究?jī)?nèi)容：
1）闡述開展本課題的研究背景與意義，以及國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車雙電機(jī)動(dòng)力總成的研究現(xiàn)狀。
2）分析目前應(yīng)用較多的幾種主流電動(dòng)汽車雙電機(jī)動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理，對(duì)各種類型的雙電機(jī)總成進(jìn)行對(duì)比，分析其優(yōu)缺點(diǎn)并根據(jù)實(shí)際需求選定本文研究的動(dòng)力總成類型。針對(duì)本文研究的雙電機(jī)類型，對(duì)比分析城市客車三種動(dòng)力總成布置方案特點(diǎn)，選擇適合本文研究類型的布置方案。
3）闡述本文研究的雙電機(jī)類型幾種工作模式。詳細(xì)分析需求轉(zhuǎn)矩控制策略、模式識(shí)別控制策略和制動(dòng)能量回收控制策略，并確定本文雙電機(jī)模式選擇方法。針對(duì)目前主流匹配方法選定適合本文研究的雙電機(jī)類型匹配方法。
4）根據(jù)電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池的要求，結(jié)合市場(chǎng)上已有的成熟產(chǎn)品進(jìn)行電機(jī)和電池選型，結(jié)合某型城市客車的整車參數(shù)和動(dòng)力性能要求，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及變速器進(jìn)行參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，計(jì)算得到電機(jī)和變速器初步參數(shù)。
5）以整車動(dòng)力性要求為約束條件、百公里電耗為優(yōu)化目標(biāo)，采用模擬退火粒子群算法，以初步計(jì)算得到的動(dòng)力總成參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行變速器和主減速器速比優(yōu)化，對(duì)比優(yōu)化前后傳動(dòng)系參數(shù)變化，分析優(yōu)化方法對(duì)整車經(jīng)濟(jì)性能的影響。
6）CRUISE 軟件平臺(tái)上建立雙電機(jī)電動(dòng)城市客車各個(gè)部件模型，輸入模型參數(shù)并建立模型間的物理連接和信號(hào)連接，制定仿真任務(wù)進(jìn)行仿真計(jì)算，分析優(yōu)化前后不同傳動(dòng)系參數(shù)對(duì)整車動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能的影響，驗(yàn)證匹配方法的合理性和有效性。
二、雙電機(jī)動(dòng)力總成選型
2.1 雙電機(jī)類型及原理分析
目前世界范圍內(nèi)雙電機(jī)動(dòng)力總成類型主要分為兩大類：一類是沒(méi)有動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的雙電機(jī)總成，另一類是有動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的雙電機(jī)總成。沒(méi)有動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的雙電機(jī)總成可以采用輪邊電機(jī)或輪轂電機(jī)方案，也有采用前后軸分別兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。擁有動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的雙電機(jī)動(dòng)力總成主要有三種耦合方案，轉(zhuǎn)速耦合方案、轉(zhuǎn)矩耦合方案或者同時(shí)具備轉(zhuǎn)速耦合和轉(zhuǎn)矩耦合的方案，常見耦合機(jī)構(gòu)主要有行星齒輪耦合機(jī)構(gòu)、雙轉(zhuǎn)子電機(jī)機(jī)構(gòu)、皮帶輪（鏈輪）耦合機(jī)構(gòu)、變速器耦合機(jī)構(gòu)、差速器耦合機(jī)構(gòu)、同軸耦合機(jī)構(gòu)等。轉(zhuǎn)速耦合方案能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速的疊加，因此動(dòng)力總成的最高轉(zhuǎn)速將增加，轉(zhuǎn)速耦合方案適合于高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩需求；轉(zhuǎn)矩耦合方案能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)矩疊加，這樣動(dòng)力總成最大轉(zhuǎn)矩將增大，因此轉(zhuǎn)矩耦合方案適合于高轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速需求，特別適合城市客車、景區(qū)旅游車和重型運(yùn)輸車等商用車。
下面將對(duì)各種類型的雙電機(jī)動(dòng)力總成進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)和工作原理分析，充分展現(xiàn)各種類型的雙電機(jī)動(dòng)力總成的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出本文將要研究的電動(dòng)客車雙電機(jī)類型。
2.2 匹配行星齒輪機(jī)構(gòu)的雙電機(jī)類型
2.2.1 匹配行星齒輪機(jī)構(gòu)的雙電機(jī)結(jié)構(gòu)
圖 2.1 為一種純電動(dòng)汽車雙電機(jī)匹配行星齒輪機(jī)構(gòu)類型：此雙電機(jī)類型屬于典型的轉(zhuǎn)速耦合方案，電機(jī) MG1 通過(guò)一個(gè)減速齒輪與行星齒圈相連接，電機(jī) MG2 與行星齒輪的太陽(yáng)輪連接，通過(guò)行星架進(jìn)行動(dòng)力輸出[10]。行星齒輪機(jī)構(gòu)的齒圈和電機(jī) MG2 的輸出軸上分別設(shè)置了制動(dòng)器 A 和 B，這樣通過(guò)控制制動(dòng)器 A 和 B 的狀態(tài)，動(dòng)力總成可以實(shí)現(xiàn)電機(jī) MG1 單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、電機(jī) MG2 單獨(dú)驅(qū)動(dòng)以及電機(jī) MG1 和電機(jī) MG2 耦合驅(qū)動(dòng)三種工作模式。
圖 2.1 匹配行星齒輪機(jī)構(gòu)的雙電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
2.2.2 匹配行星齒輪機(jī)構(gòu)的雙電機(jī)原理及優(yōu)缺點(diǎn)
匹配行星齒輪機(jī)構(gòu)雙電機(jī)類型不同工作模式中各個(gè)部件的工作狀態(tài)見表 2.1，電機(jī)MG1 單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器 B 處于制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)器 A 處于解除制動(dòng)狀態(tài)，動(dòng)力由電機(jī)MG1 經(jīng)減速齒輪、行星齒圈、行星架傳遞到驅(qū)動(dòng)橋。電機(jī) MG2 單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器 A處于制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)器 B 處于解除制動(dòng)狀態(tài)，動(dòng)力由電機(jī) MG2 經(jīng)太陽(yáng)輪、行星架傳遞到驅(qū)動(dòng)橋。雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器 A 和 B 均處于解除制動(dòng)狀態(tài)，電機(jī) MG1 的動(dòng)力經(jīng)減速齒輪傳遞到行星齒圈，最后傳遞到行星架，電機(jī) MG2 動(dòng)力經(jīng)太陽(yáng)輪傳遞到行星支架，兩個(gè)電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)耦合后傳遞到驅(qū)動(dòng)橋。
匹配行星齒輪機(jī)構(gòu)雙電機(jī)類型的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面兩個(gè)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)，其傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)比并不相同，行星排在此結(jié)構(gòu)中還起到兩檔變速器的作用；其次，雙電機(jī)在耦合驅(qū)動(dòng)模式下，兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速耦合可以使兩個(gè)電機(jī)都不用工作在最高轉(zhuǎn)速，就能實(shí)現(xiàn)整車的高轉(zhuǎn)速需求，在高速行駛時(shí)，電機(jī)仍能工作在高效區(qū)。但是這種雙電機(jī)類型的缺點(diǎn)也很明顯：由于缺乏轉(zhuǎn)矩耦合機(jī)構(gòu)，使得雙電機(jī)在匹配時(shí)對(duì)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩要求較高，從而需要更大峰值轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，導(dǎo)致電機(jī)體積較大，影響電機(jī)在整車上的合理布置，且成本較高。
2.3 匹配 AMT 的雙電機(jī)類型
2.3.1 匹配 AMT 的雙電機(jī)結(jié)構(gòu)
圖 2.2 所示為匹配 AMT 的雙電機(jī)類型，是一種比較常見的電動(dòng)客車雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合方案，主要由主驅(qū)電機(jī) MG1、AMT 變速器和雙輸出端輔助電機(jī) MG2 構(gòu)成[11]。電機(jī)MG1 的動(dòng)力通過(guò) AMT 變速器改變轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，輸出后與輔助電機(jī) MG2 進(jìn)行同軸轉(zhuǎn)矩耦合，最終通過(guò)電機(jī) MG2 輸出端輸出到驅(qū)動(dòng)橋，這套動(dòng)力總成可以理解為在單電機(jī)匹配變速器的總成輸出端添加一個(gè)輔助電機(jī)的結(jié)構(gòu)。
圖 2.2 匹配 AMT 的雙電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
2.3.2 匹配 AMT 的雙電機(jī)原理及優(yōu)缺點(diǎn)
當(dāng)需求功率較小時(shí)，優(yōu)先使用電機(jī) MG1 提供動(dòng)力，當(dāng)司機(jī)深踩電門起步時(shí)，電機(jī)MG2 輔助輸出動(dòng)力，提高整體的動(dòng)力輸出。倒車時(shí)變速器選擇低檔位，電機(jī) MG1 反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。
當(dāng)需求功率超過(guò)電機(jī) MG1 峰值功率的 80%時(shí)，增加的功率需求優(yōu)先分配給電機(jī)MG2，當(dāng)電機(jī) MG2 輸出的功率高于其峰值功率的 80%時(shí)，增加的功率需求優(yōu)先分配給電機(jī) MG1，直至電機(jī) MG1 的功率達(dá)到極限值。
換擋時(shí)電機(jī) MG1 的轉(zhuǎn)矩先降為 0，同時(shí)電機(jī) MG2 的轉(zhuǎn)矩增加，彌補(bǔ)下降的電機(jī)MG1 轉(zhuǎn)矩，保證換檔時(shí)動(dòng)力不中斷。之后換檔機(jī)構(gòu)進(jìn)行換檔，換檔完成后電機(jī) MG1 輸出轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī) MG1 和電機(jī) MG2 聯(lián)合輸出的轉(zhuǎn)矩滿足駕駛員的需求。
回饋制動(dòng)時(shí)優(yōu)先使用電機(jī) MG1，當(dāng)回饋制動(dòng)的需求功率超過(guò)電機(jī) MG1 的額定功率時(shí)，超出部分由電機(jī) MG2 提供。當(dāng)輔助電機(jī) MG2 的輸出功率達(dá)到額定功率時(shí)，再逐步提高電機(jī) MG1 的功率直至峰值。
此種類型結(jié)構(gòu)及控制簡(jiǎn)單，制造成本低，電機(jī) MG1 可以通過(guò)變速器減速增扭，控制其工作在高效區(qū)，通過(guò)轉(zhuǎn)矩耦合的方式獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩。但總成整體質(zhì)量較大，電機(jī)MG1工作時(shí)必須帶動(dòng)輔助電機(jī)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電機(jī)MG1單獨(dú)工作時(shí)整體傳動(dòng)效率降低，且電機(jī) MG2 很難工作在高效區(qū)。
2.4 匹配 DCT 的雙電機(jī)類型
2.4.1 匹配 DCT 的雙電機(jī)結(jié)構(gòu)
圖 2.3 所示結(jié)構(gòu)為一款適用于純電動(dòng)汽車的雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合驅(qū)動(dòng)總成，該類型是在傳統(tǒng)的 DCT（Dual Clutch Transmission）結(jié)構(gòu)中做出修改，通過(guò)控制同步器來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)MG1 單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、電機(jī) MG2 單獨(dú)驅(qū)動(dòng)以及雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)三種工作模式[12]。
2.4.2 匹配 DCT 的雙電機(jī)原理及優(yōu)缺點(diǎn)
當(dāng)左側(cè)同步器不工作，右側(cè)同步器工作時(shí)，此種雙電機(jī)類型處于電機(jī) MG1 單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式；當(dāng)右側(cè)同步器不工作，左側(cè)同步器工作時(shí)，此種雙電機(jī)類型處于電機(jī) MG2 單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式；當(dāng)兩個(gè)同步器同時(shí)工作時(shí)，電機(jī) MG1 和電機(jī) MG2 處于耦合驅(qū)模式，動(dòng)力經(jīng)轉(zhuǎn)矩耦合后輸出到驅(qū)動(dòng)橋。
匹配 DCT 的雙電機(jī)類型的特點(diǎn)在于借鑒了 DCT 的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)控制同步器實(shí)現(xiàn)電機(jī)單獨(dú)工作或者聯(lián)合工作。缺點(diǎn)是只有轉(zhuǎn)矩耦合沒(méi)有轉(zhuǎn)速耦合，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，由于多檔位設(shè)計(jì)使得本類型的最大轉(zhuǎn)矩將大大高于單電機(jī)的最高轉(zhuǎn)矩，控制較困難，且機(jī)構(gòu)造價(jià)不菲，所以只適用于高性能電動(dòng)跑車。
2.5 輪邊電機(jī)類型
2.5.1 輪邊電機(jī)結(jié)構(gòu)
圖 2.4 所示結(jié)構(gòu)為輪邊電機(jī)方案，在汽車驅(qū)動(dòng)橋兩側(cè)分別安裝一套電機(jī)匹配減速器的總成，電機(jī)的動(dòng)力通過(guò)減速機(jī)構(gòu)傳遞到車輪，兩個(gè)電機(jī)分別由兩個(gè)控制器獨(dú)立控制來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和差速控制[13]。目前的比亞迪 K8、K9 純電動(dòng)客車就采用了這種布置方案。
2.5.2 輪邊電機(jī)原理及優(yōu)缺點(diǎn)
輪邊電機(jī)是兩個(gè)電機(jī)分別安裝在車輪邊上單獨(dú)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)車輪，兩個(gè)電機(jī)單獨(dú)匹配減速器，取消了傳動(dòng)軸和差速器，所以傳動(dòng)系傳動(dòng)效率較高，通過(guò)單獨(dú)控制兩個(gè)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和差速。但是輪邊電機(jī)方案最大的難題就是差速控制，目前還沒(méi)有成熟的方案能完全解決輪邊驅(qū)動(dòng)的差速問(wèn)題，尤其在高速轉(zhuǎn)彎和顛簸路面上的差速控制難題未解決，輪邊電機(jī)方案目前只能在車速較低、行駛路況較好的城市客車上普及使用。沒(méi)有變速器的配合導(dǎo)致電機(jī)很難工作在高效區(qū)，而且這種布置形式導(dǎo)致非簧載質(zhì)量較高，影響舒適性和操控性，目前僅有少數(shù)城市客車采用此方案。
2.6 電機(jī)中空軸雙電機(jī)類型
2.6.1 電機(jī)中空軸雙電機(jī)結(jié)構(gòu)
圖 2.5 所示雙電機(jī)類型為一種比較適合純電動(dòng)城市客車的雙電機(jī)動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)。該類型由兩個(gè)功率大小相同的電機(jī)和一個(gè)四檔變速器構(gòu)成。電機(jī) MG1 與第一動(dòng)力輸出軸3 上一、三檔齒輪相連，電機(jī) MG2 與第二動(dòng)力輸出軸 4 上二、四檔齒輪相連，電機(jī) MG1通過(guò)軸 3 將動(dòng)力輸入到變速器齒輪 5 上，通過(guò)換擋機(jī)構(gòu) 15 選擇將動(dòng)力傳遞到一檔或三檔齒輪，電機(jī) MG2 通過(guò)中空軸 4 將動(dòng)力輸入到變速器齒輪上，通過(guò)換擋機(jī)構(gòu) 16 選擇將
動(dòng)力傳遞到二檔或四檔齒輪?？梢酝ㄟ^(guò)換檔機(jī)構(gòu) 15 與 16 選擇動(dòng)力由電機(jī) MG1 單獨(dú)提供還是由 MG2 單獨(dú)提供，或者兩個(gè)電機(jī)同時(shí)工作，通過(guò)轉(zhuǎn)矩耦合的方式輸出動(dòng)力，以及檔位的選擇也是通過(guò)換檔機(jī)構(gòu) 15 與 16 實(shí)現(xiàn)的[14]。
2.6.2 電機(jī)中空軸雙電機(jī)原理及優(yōu)缺點(diǎn)
電機(jī) MG1 單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)，換檔機(jī)構(gòu) 16 換入空檔，電機(jī) MG1 的動(dòng)力經(jīng)過(guò)變速器一檔或三檔齒輪傳遞到差速器；電機(jī) MG2 單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)，換擋機(jī)構(gòu) 15 換入空檔，電機(jī) MG2的動(dòng)力經(jīng)過(guò)變速器二檔齒輪或者四檔齒輪傳遞到差速器；電機(jī) MG1 和電機(jī) MG2 耦合驅(qū)動(dòng)時(shí)，換檔機(jī)構(gòu) 15、16 同時(shí)換入相應(yīng)檔位，兩個(gè)電機(jī)經(jīng)變速器的齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)矩耦合，然后將動(dòng)力傳遞給差速器[14]。當(dāng)?shù)谝粨Q擋機(jī)構(gòu) 15、第二換擋機(jī)構(gòu) 16 檔位均不在空擋上時(shí)，通過(guò)主輸出端 14 的轉(zhuǎn)速信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī) MG1 與電機(jī) MG2 的轉(zhuǎn)速，確保兩個(gè)電機(jī)所對(duì)應(yīng)的第一換檔機(jī)構(gòu) 15、第二換檔機(jī)構(gòu) 16 輸出端轉(zhuǎn)速保持一致，根據(jù)實(shí)際工況選擇電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩以及變速器的檔位，使電機(jī)始終處于高效區(qū)。由于雙電機(jī)的存在，換檔過(guò)程通過(guò)動(dòng)力補(bǔ)償方式解決換檔動(dòng)力中斷問(wèn)題。
此雙電機(jī)動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)屬于轉(zhuǎn)矩耦合，若運(yùn)行在在穩(wěn)定工況下忽略損耗，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率之和等于其動(dòng)力總成輸出功率，即雙電機(jī)動(dòng)力總成的輸出功率為：
式中，??和??為雙電機(jī)動(dòng)力總成的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出角速度，??1和??1為電機(jī) MG1 的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出角速度，??2和??2為電機(jī) MG2 的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出角速度。
從而，轉(zhuǎn)矩耦合可以表示為：
式中，??1和??2為轉(zhuǎn)矩耦合機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。
就轉(zhuǎn)矩耦合機(jī)構(gòu)而言，??1和??2為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它們彼此無(wú)關(guān)并可以獨(dú)立控制，但由于式（2-1）的約束，角速度??1、??2和??相互關(guān)聯(lián)在一起，其關(guān)聯(lián)式為：
此雙電機(jī)類型的優(yōu)點(diǎn)在于利用了四檔變速器，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的調(diào)整以適應(yīng)復(fù)雜工況，使電機(jī)更多時(shí)候工作在高效區(qū)。兩個(gè)電機(jī)可以在切換工作模式的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力補(bǔ)償，所以在切換工作模式時(shí)沒(méi)有動(dòng)力中斷問(wèn)題，保證了動(dòng)力輸出的平順性和穩(wěn)定性。此雙電機(jī)類型的缺點(diǎn)在于兩個(gè)電機(jī)只有轉(zhuǎn)矩耦合模式進(jìn)行聯(lián)合工作，兩個(gè)電機(jī)只有高轉(zhuǎn)速運(yùn)行才能保證聯(lián)合工作時(shí)的高轉(zhuǎn)速需求，這對(duì)電機(jī)的擴(kuò)速控制和電機(jī)參數(shù)匹配都很困難，基于此，電機(jī)中空軸雙電機(jī)適用于對(duì)車速要求較低的城市客車。
2.7 五種雙電機(jī)類型綜合對(duì)比分析
以上主要對(duì)五種主要的雙電機(jī)類型進(jìn)行結(jié)構(gòu)和原理分析，下面將從如下幾個(gè)方面對(duì)五種雙電機(jī)類型進(jìn)行綜合對(duì)比分析。
1）布置靈活性對(duì)比分析
匹配 DCT 的雙電機(jī)布置相對(duì)靈活，可以選擇總成前置或者后置；匹配 AMT 的雙電機(jī)和電機(jī)中空軸雙電機(jī)將變速器與電機(jī)同軸排列在一起，所以結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)，不適合前置前驅(qū)和后置后驅(qū)的方案；匹配行星齒輪機(jī)構(gòu)的雙電機(jī)所占的橫向空間較大，布置不太方便；輪邊電機(jī)只有安裝于驅(qū)動(dòng)輪的輪邊這一種選擇，布置空間局促。
2）成本分析
電機(jī)中空軸雙電機(jī)利用四速機(jī)械變速器的結(jié)構(gòu)，所以成本是最低的；匹配 AMT 的所以整體成本是比較低的；匹配行星齒輪機(jī)構(gòu)的雙電機(jī)需要使用行星齒輪機(jī)構(gòu)和兩個(gè)同樣的主驅(qū)電機(jī)，相對(duì)成本要較高一些；匹配 DCT 的雙電機(jī)的變速器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，導(dǎo)致變速器成本較高；輪邊電機(jī)類型對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩要求較高，且布置相對(duì)困難、控制復(fù)雜，所以成本是最高的。
3）動(dòng)力性分析
五種雙電機(jī)類型中只有匹配行星齒輪機(jī)構(gòu)的雙電機(jī)不具備轉(zhuǎn)矩耦合模式，所以動(dòng)力性是較差的；輪邊電機(jī)類型只有一級(jí)減速，相對(duì)來(lái)說(shuō)動(dòng)力性也不太好；匹配 AMT 的雙電機(jī)和電機(jī)中空軸雙電機(jī)擁有多級(jí)減速，動(dòng)力性表現(xiàn)相對(duì)優(yōu)秀；匹配 DCT 的雙電機(jī)擁有三種轉(zhuǎn)矩耦合模式，相對(duì)來(lái)說(shuō)動(dòng)力性最優(yōu)。
4）節(jié)能潛力分析
匹配行星齒輪機(jī)構(gòu)的雙電機(jī)和輪邊電機(jī)由于檔位設(shè)置較少，所以節(jié)能潛力最弱；匹配 AMT 的雙電機(jī)設(shè)置了多個(gè)檔位，節(jié)能潛力相對(duì)好一點(diǎn)；匹配 DCT 的雙電機(jī)和電機(jī)中空軸雙電機(jī)檔位較多，能適應(yīng)更多種工況，因此節(jié)能潛力最好。
5）控制復(fù)雜程度分析
由于輪邊電機(jī)方案的兩個(gè)電機(jī)是獨(dú)立控制的，涉及到汽車轉(zhuǎn)向差速和車輪滑轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速控制問(wèn)題，一直都是很難解決的問(wèn)題，所以控制難度是最大的；電機(jī)中空軸雙電機(jī)具有九種工作模式，不同模式間的切換需要合理控制，控制難度也較大；匹配行星齒輪機(jī)構(gòu)的雙電機(jī)和匹配 DCT 的雙電機(jī)都具有三種工作模式，控制起來(lái)較復(fù)雜；而匹配 AMT的雙電機(jī)可以理解為在傳統(tǒng)單電機(jī)匹配變速器的動(dòng)力總成輸出端添加一個(gè)輔助電機(jī)，相對(duì)來(lái)說(shuō)控制最簡(jiǎn)單。五種類型的雙電機(jī)綜合分析對(duì)比見表 2.2。
通過(guò)對(duì)五種雙電機(jī)類型分析可知，為了使總成在經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性方面的提高，必將帶來(lái)成本偏高和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題，對(duì)于城市客車動(dòng)力總成來(lái)說(shuō)，要求具有動(dòng)力性表現(xiàn)較好，系統(tǒng)效率高，成本低廉且控制不能太復(fù)雜等特點(diǎn)。電機(jī)中空軸雙電機(jī)動(dòng)力總成是各方面都表現(xiàn)相對(duì)均衡的一種布置方案，特別適用于對(duì)最高車速需求不高，對(duì)轉(zhuǎn)矩需求相對(duì)較高的城市客車，正符合本文的研究主題，所以本文針對(duì)電機(jī)中空軸雙電機(jī)動(dòng)力總成進(jìn)行深入研究。
2.8 動(dòng)力總成布置形式選擇
本文研究的雙電機(jī)動(dòng)力總成主要應(yīng)用在純電動(dòng)城市客車上，具有結(jié)構(gòu)緊湊、總成長(zhǎng)度較長(zhǎng)以及布置靈活等特點(diǎn)。在考慮雙電機(jī)在客車上布置時(shí)，主要有三種形式：前置后驅(qū)（FR）、中置后驅(qū)（MR）和后置后驅(qū)（RR）[15]。
2.8.1 前置后驅(qū)式（FR）
圖 2.6 所示的布置形式即前置后驅(qū)式（FR），將雙電機(jī)動(dòng)力總成布置于汽車前部，傳動(dòng)軸位于車輛中部，驅(qū)動(dòng)橋?yàn)檐囕v后橋。動(dòng)力通過(guò)雙電機(jī)動(dòng)力總成、傳動(dòng)軸、主減速器/差速器、半軸，最終傳遞到車輪上。此種布置形式沿用了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的布置形式，開發(fā)成本低，維修方便；前后軸負(fù)荷比較均勻，操控性、制動(dòng)性較好；但是由于傳動(dòng)路徑較長(zhǎng)，需要很長(zhǎng)的傳動(dòng)軸導(dǎo)致傳動(dòng)效率較低。
2.8.2 中置后驅(qū)式（MR）
圖 2.7 所示的布置形式即中置后驅(qū)式（MR），將雙電機(jī)動(dòng)力總成布置于汽車中部，傳動(dòng)軸位于車輛后部，驅(qū)動(dòng)橋?yàn)檐囕v后橋。動(dòng)力通過(guò)雙電機(jī)動(dòng)力總成、傳動(dòng)軸、主減速器/差速器、半軸，最終傳遞到車輪上。這種布置形式傳動(dòng)路徑較短，結(jié)構(gòu)緊湊，相比于前置后驅(qū)式傳動(dòng)效率更高；可獲得較佳的軸荷分配，操縱穩(wěn)定性較好；汽車中部的布置空間大，布置起來(lái)非常方便；缺點(diǎn)是維修不太方便，遇見托底的情況容易損傷動(dòng)力總成。
2.8.3 后置后驅(qū)式（RR）
圖 2.8 所示的布置形式即后置后驅(qū)式（RR），將雙電機(jī)動(dòng)力總成布置于汽車后部，傳動(dòng)軸位于車輛后部，驅(qū)動(dòng)橋?yàn)檐囕v后橋。動(dòng)力通過(guò)雙電機(jī)動(dòng)力總成、傳動(dòng)軸、主減速器/差速器、半軸，最終傳遞到車輪上。這種布置形式傳動(dòng)軸很短，甚至需要取消傳動(dòng)軸，傳動(dòng)效率高；但是缺點(diǎn)也很明顯，后部縱向空間太小，動(dòng)力總成布置安裝困難；后軸質(zhì)量太集中，導(dǎo)致很難均衡分配軸荷，操縱穩(wěn)定性較差；發(fā)生追尾事故時(shí)，動(dòng)力總成很容易受到損傷。
通過(guò)對(duì)上述三種布置形式的綜合對(duì)比分析，考慮到純電動(dòng)客車對(duì)安全性、傳動(dòng)效率、舒適性等各方面的考慮，以及雙電機(jī)總成縱向長(zhǎng)度較長(zhǎng)需要較大布置空間的特點(diǎn)，中置后驅(qū)式（MR）是最適合本文研究主題的方案。
2.9 小結(jié)
本章首先對(duì)五種雙電機(jī)類型的結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行闡述和分析，并分別分析了五種雙電機(jī)類型的優(yōu)缺點(diǎn)，就布置靈活性、成本、動(dòng)力性、節(jié)能潛力、控制難度等方面的表現(xiàn)進(jìn)行了綜合對(duì)比。針對(duì)純電動(dòng)城市客車對(duì)動(dòng)力總成各方面性能的要求，以及行駛的工況主要在對(duì)最高車速需求不高，對(duì)轉(zhuǎn)矩需求相對(duì)較高的城市道路工況，將各方面性能表現(xiàn)均衡的電機(jī)中空軸雙電機(jī)確定為本文的研究對(duì)象。分析了純電動(dòng)客車雙電機(jī)的布置形式，論證了各種布置形式的優(yōu)缺點(diǎn)并選定中置后驅(qū)為本文研究對(duì)象的布置形式。
三、雙電機(jī)控制策略及匹配方法
3.1 驅(qū)動(dòng)工作模式
表 3.1 是本文研究的電機(jī)中空軸雙電機(jī)動(dòng)力總成九種工作模式。兩個(gè)電機(jī)可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)每個(gè)電機(jī)都有兩個(gè)相應(yīng)的變速器檔位進(jìn)行配合，滿足不同車速下的轉(zhuǎn)矩需求；兩個(gè)電機(jī)可以通過(guò)轉(zhuǎn)矩耦合方式耦合驅(qū)動(dòng)，且兩個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)的檔位互不干涉，能夠應(yīng)對(duì)不同工況的工作需求。關(guān)于本文研究的雙電機(jī)動(dòng)力總成詳細(xì)結(jié)構(gòu)及原理已在上文中進(jìn)行詳細(xì)分析，在此不再贅述。
對(duì)于不同的行駛速度下功率需求，通過(guò)使用高效的控制策略，動(dòng)力總成控制模塊選擇合適的工作模式滿足整車的行駛需求，在滿足動(dòng)力需求的同時(shí)還要兼顧良好的經(jīng)濟(jì)性能。
控制策略的制定要滿足動(dòng)力總成對(duì)駕駛員意圖的響應(yīng)，控制策略的任務(wù)是以滿足駕駛員需求為目標(biāo)，結(jié)合當(dāng)前部件狀態(tài)和車輛的行駛信息，通過(guò)對(duì)兩個(gè)電機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)矩指令和控制變速器進(jìn)行檔位選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛對(duì)駕駛員需求的跟隨[16]。圖 3.1 是本文控制策略的軟件構(gòu)架。
3.2 需求轉(zhuǎn)矩控制策略
需求轉(zhuǎn)矩計(jì)算的任務(wù)是根據(jù)加速踏板和制動(dòng)踏板信息，結(jié)合車輛動(dòng)力電池和電機(jī)反饋信息以及車輛的行駛狀態(tài)，最終計(jì)算出合理的需求轉(zhuǎn)矩值 [16]。 駕駛員的駕駛意圖通過(guò)加速踏板和制動(dòng)踏板信號(hào)，換算為需求轉(zhuǎn)矩，因此需求轉(zhuǎn)矩的大小與加速踏板的狀態(tài)有直接關(guān)系，需求轉(zhuǎn)矩????????根據(jù)加速踏板開度計(jì)算。
3.3 模式識(shí)別控制策略
模式識(shí)別是根據(jù)轉(zhuǎn)矩需求計(jì)算結(jié)果，判斷雙電機(jī)動(dòng)力總成采用哪一種工作模式，既能滿足整車需求轉(zhuǎn)矩又能最大限度地發(fā)揮動(dòng)力總成的節(jié)能潛質(zhì)，控制兩個(gè)電機(jī)工作在高效區(qū)。模式識(shí)別控制策略的核心思想在于計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)下雙電機(jī)動(dòng)力總成每一種工作模式相對(duì)應(yīng)的需求功率，選取能滿足功率要求但需求功率最小的工作模式作為當(dāng)前狀態(tài)下的工作模式，有利于電機(jī)工作在高效區(qū)，減小電機(jī)的電消耗，從而提高動(dòng)力總成的經(jīng)濟(jì)性能。
3.3.1 電機(jī) MG1 或電機(jī) MG2 單獨(dú)工作
想要判斷單電機(jī)是否能單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，首先需要計(jì)算單電機(jī)在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下所能提供的最大的轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩可根據(jù)電機(jī)外特性圖取得。然后將需求轉(zhuǎn)矩與當(dāng)前電機(jī)所能提供的最大轉(zhuǎn)矩做比較，計(jì)算電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)能否滿足轉(zhuǎn)矩要求，如果不能滿足需求轉(zhuǎn)矩進(jìn)入雙電機(jī)工作模式，能滿足需求則計(jì)算單電機(jī)需求功率：
3.4 雙電機(jī)工作模式選擇
根據(jù)上文的控制策略研究方法，針對(duì)本文的雙電機(jī)類型進(jìn)行工作模式研究，下面將詳細(xì)分析不同工況下動(dòng)力總成工作模式的選擇。
1）起步
當(dāng)踩下加速踏板起步時(shí)，首先電機(jī) MG1 動(dòng)力進(jìn)入一檔齒輪，若此時(shí)的需求轉(zhuǎn)矩為電機(jī) MG1 峰值轉(zhuǎn)矩的 60%以下時(shí)，由電機(jī) MG1 單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入模式 3；當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩超過(guò)電機(jī) MG1 峰值轉(zhuǎn)矩的 60%時(shí)，超出的需求轉(zhuǎn)矩由電機(jī) MG2 提供，此時(shí)進(jìn)入模式 1或模式 2，具體進(jìn)入哪一種模式取決于哪一種模式更能使電機(jī) MG2 工作在高效區(qū)；若需求轉(zhuǎn)矩超過(guò)電機(jī) MG2 峰值轉(zhuǎn)矩的 80%時(shí)，超出的需求轉(zhuǎn)矩由電機(jī) MG1 提供，直至電機(jī) MG1 達(dá)到峰值。
2）中低速運(yùn)行
當(dāng)車速大于 10km/h 且小于 30km/h 時(shí)，電機(jī) MG2 動(dòng)力進(jìn)入二檔齒輪，若此時(shí)的需求轉(zhuǎn)矩為電機(jī) MG2 當(dāng)前轉(zhuǎn)速下最大轉(zhuǎn)矩的 60%以下時(shí)，由電機(jī) MG2 單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入模式 7；當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩超過(guò)電機(jī) MG2 當(dāng)前轉(zhuǎn)速下最大轉(zhuǎn)矩的 60%時(shí)，超出的需求轉(zhuǎn)矩由電機(jī) MG1 提供，此時(shí)進(jìn)入模式 1 或模式 4，具體進(jìn)入哪一種模式取決于哪一種模式更能使電機(jī) MG1 工作在高效區(qū)；若需求轉(zhuǎn)矩超過(guò)電機(jī) MG1 當(dāng)前轉(zhuǎn)速下最大轉(zhuǎn)矩的 80%時(shí)，超出的需求轉(zhuǎn)矩由電機(jī) MG2 提供，直至電機(jī) MG2 達(dá)到峰值。
3）中等速度運(yùn)行時(shí)
當(dāng)車速大于 30km/h 且小于 50km/h 時(shí)，電機(jī) MG1 動(dòng)力進(jìn)入三檔齒輪，若此時(shí)的需求轉(zhuǎn)矩為電機(jī) MG1 當(dāng)前轉(zhuǎn)速下最大轉(zhuǎn)矩的 60%以下時(shí)，由電機(jī) MG1 單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入模式 6；當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩超過(guò)電機(jī) MG1 當(dāng)前轉(zhuǎn)速下最大轉(zhuǎn)矩的 60%時(shí)，超出的需求轉(zhuǎn)矩由電機(jī) MG2 提供，此時(shí)進(jìn)入模式 4 或模式 5，具體進(jìn)入哪一種模式取決于哪一種模式更能使電機(jī) MG2 工作在高效區(qū)；若需求轉(zhuǎn)矩超過(guò)電機(jī) MG2 當(dāng)前轉(zhuǎn)速下最大轉(zhuǎn)矩的 80%時(shí)，超出的需求轉(zhuǎn)矩由電機(jī) MG1 提供，直至電機(jī) MG1 達(dá)到峰值。
4）中高速運(yùn)行時(shí)
當(dāng)車速大于 50km/h 時(shí)，電機(jī) MG2 動(dòng)力進(jìn)入四檔齒輪，若此時(shí)的需求轉(zhuǎn)矩為電機(jī)MG2 當(dāng)前轉(zhuǎn)速下最大轉(zhuǎn)矩的 60%以下時(shí)，由電機(jī) MG2 單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入模式 8；當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩超過(guò)電機(jī) MG2 當(dāng)前轉(zhuǎn)速下最大轉(zhuǎn)矩的 60%時(shí)，超出的需求轉(zhuǎn)矩由電機(jī) MG1 提供，此時(shí)進(jìn)入模式 2 或模式 5，具體進(jìn)入哪一種模式取決于哪一種模式更能使電機(jī) MG1 工作在高效區(qū)；若需求轉(zhuǎn)矩超過(guò)電機(jī) MG1 當(dāng)前轉(zhuǎn)速下最大轉(zhuǎn)矩的 80%時(shí)，超出的需求轉(zhuǎn)矩由電機(jī) MG2 提供，直至電機(jī) MG2 達(dá)到峰值。
5）倒車
此時(shí)兩個(gè)電機(jī)都需要反轉(zhuǎn)，電機(jī) MG1 動(dòng)力進(jìn)入一檔齒輪，若此時(shí)的需求轉(zhuǎn)矩為電機(jī) MG1 峰值轉(zhuǎn)矩 60%以下時(shí)，由電機(jī) MG1 單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入模式 3；當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩超過(guò)電機(jī) MG1 當(dāng)前轉(zhuǎn)速下最大轉(zhuǎn)矩的 60%時(shí)，超出的需求轉(zhuǎn)矩由電機(jī) MG2 提供，此時(shí)進(jìn)入模式 1 或模式 2，具體進(jìn)入哪一種模式取決于哪一種模式更能使電機(jī) MG2 工作在高效區(qū)；若需求轉(zhuǎn)矩超過(guò)電機(jī) MG2 峰值轉(zhuǎn)矩的 80%時(shí)，多余的需求轉(zhuǎn)矩由電機(jī) MG1 提供，直至電機(jī) MG1 功率達(dá)到峰值。
3.5 制動(dòng)模式控制策略
電動(dòng)汽車制動(dòng)模式同時(shí)承載著使車輛減速或停車和制動(dòng)能量回收兩種功能，電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收是增強(qiáng)車輛經(jīng)濟(jì)性重要的措施之一。制定制動(dòng)能量回收控制策略時(shí)，有三個(gè)主要因素需要考慮，首先應(yīng)滿足車輛對(duì)制動(dòng)力矩的需求，其次車輛在前后輪的制動(dòng)力應(yīng)滿足國(guó)家關(guān)于汽車制動(dòng)力分配法規(guī)的要求，最后車輛的制動(dòng)能量回收能力與電池的SOC 狀態(tài)有緊密聯(lián)系[18]。由于本文主要針對(duì)動(dòng)力總成的匹配方法進(jìn)行研究，所以制動(dòng)能量回收控制策略的工作模式進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。
由于城市客車的機(jī)械制動(dòng)力在制動(dòng)過(guò)程中不可調(diào)節(jié)，踩下制動(dòng)踏板后，制動(dòng)系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)制動(dòng)大小的制動(dòng)力，為了避免對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)及駕駛員的制動(dòng)感覺造成不好的影響，所以僅在較小制動(dòng)需求時(shí)加入較為明顯的負(fù)轉(zhuǎn)矩；而當(dāng)中等制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，機(jī)械制動(dòng)的制動(dòng)力已經(jīng)很大，再生制動(dòng)的負(fù)轉(zhuǎn)矩值降低；當(dāng)產(chǎn)生大的制動(dòng)需求時(shí)，將不再執(zhí)行再生制動(dòng)的負(fù)轉(zhuǎn)矩指令[18]。具體的控制流程如圖 3.4 所示。
3.6 雙電機(jī)動(dòng)力總成的匹配方法
當(dāng)前新能源汽車動(dòng)力總成參數(shù)匹配方法主要?dú)w結(jié)于以下四種：
1）基于整車動(dòng)力學(xué)指標(biāo)功率匹配方法
這種傳統(tǒng)的匹配方法是以保證車輛的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)為前提，以車輛的動(dòng)力學(xué)方程為依據(jù)，對(duì)整車的部件參數(shù)進(jìn)行匹配[19]。這種匹配方法簡(jiǎn)單明了，但是匹配的動(dòng)力總成不能很好地滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。
2）基于循環(huán)工況效率匹配方法
此匹配方法是為了彌補(bǔ)基于整車動(dòng)力學(xué)指標(biāo)功率匹配方法的不足，通過(guò)統(tǒng)計(jì)車輛在不同工況點(diǎn)工作頻次，匹配車輛的額定參數(shù)時(shí)，盡量使車輛的常用工況頻次位于電機(jī)的高效率區(qū)間[20]。這種方法局限性強(qiáng)，僅對(duì)運(yùn)行線路固定的城市客車有實(shí)用意義。
3）基于優(yōu)化算法參數(shù)匹配方法
主要是通過(guò)優(yōu)化算法的尋優(yōu)能力，在電機(jī)和變速器參數(shù)的可行域內(nèi)快速地找到一組滿足動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)的參數(shù)[21]。理論上講這種參數(shù)匹配方法能使經(jīng)濟(jì)性做到最優(yōu)，但是這種匹配方法對(duì)于參數(shù)的約束條件比較多，需要的計(jì)算量大，因此花費(fèi)的時(shí)間和精力也較多。
4）基于仿真軟件參數(shù)匹配方法
使用仿真軟件建立仿真模型，通過(guò)改變動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)分析整車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性變化，從而得到理想的匹配結(jié)果[22]。目前有部分仿真軟件已經(jīng)自帶動(dòng)力總成參數(shù)優(yōu)化功能，使用起來(lái)比較方便。但是這種匹配方法缺點(diǎn)也很明顯：需要的整車參數(shù)特別多，需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間調(diào)試工作，且仿真的結(jié)果與實(shí)際情況可能有較大偏差。
鑒于以上幾種參數(shù)匹配方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文將按照?qǐng)D 3.6 所示的匹配流程進(jìn)行動(dòng)力總成參數(shù)匹配。首先對(duì)整車動(dòng)力性能需求進(jìn)行分析，初步匹配出能夠滿足動(dòng)力需求的基本參數(shù)；然后采用粒子群優(yōu)化算法，以城市循環(huán)工況下百公里電耗為優(yōu)化目標(biāo)，整車動(dòng)力性要求為約束條件，進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)中變速器和主減速器速比優(yōu)化；最后使用仿真軟件CRUISE 進(jìn)行仿真對(duì)比分析，分析優(yōu)化前后的整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性變化，驗(yàn)證本文匹配方法的合理性和有效性。
3.7 小結(jié)
本章分析了雙電機(jī)動(dòng)力總成的九種工作模式，確立動(dòng)力總成的控制策略是基于整車狀態(tài)和駕駛員駕駛需求為基礎(chǔ)的思想，然后就需求轉(zhuǎn)矩控制策略和模式識(shí)別控制策略詳細(xì)地進(jìn)行分析?；诖_定的雙電機(jī)類型，闡述了雙電機(jī)在不同工況下基于控制策略的工作模式選擇。對(duì)于制動(dòng)能量回收控制策略，考慮到駕駛員使用合理性和乘客乘坐舒適性，根據(jù)制動(dòng)踏板的開度，采用較高外特性和較低外特性區(qū)別對(duì)待的控制方法，既不影響整車制動(dòng)性能又能達(dá)到制動(dòng)能量回收效果。最后針對(duì)目前幾種主流匹配方法選定適合本文研究的雙電機(jī)類型的匹配方法：根據(jù)整車動(dòng)力需求計(jì)算動(dòng)力總成參數(shù)，然后使用優(yōu)化算法進(jìn)行傳動(dòng)系參數(shù)優(yōu)化，最后使用仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
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