雙電機行星耦合驅動系統臺架試驗研究

武小花，韓光偉2，韓勝明

(1. 西華大學交通與汽車工程學院，四川 成都 610039；2. 北京理工大學電動車輛國家工程實驗室，北京 100083)

·新能源汽車與低碳運輸·

雙電機行星耦合驅動系統臺架試驗研究

武小花1，韓光偉2，韓勝明1

(1. 西華大學交通與汽車工程學院，四川 成都 610039；2. 北京理工大學電動車輛國家工程實驗室，北京 100083)

為對雙電機行星耦合驅動系統的力學特性和效率特性進行研究，搭建其試驗平臺，進行臺架試驗和數據分析。試驗內容包括雙電機行星耦合驅動系統輸出外特性試驗、單電機驅動模式和雙電機耦合驅動模式的效率特性試驗。測試結果表明，該試驗平臺能夠實現對系統性能的有效測試，在滿足車輛動力需求的前提下，雙電機行星耦合驅動系統可有效提高動力傳動系統高效區的范圍。

電動汽車；耦合驅動；臺架試驗

目前車載能源有著較大的限制，高功率密度、高效率的大功率動力驅動系統成為了電動汽車的關鍵技術之一。國外動力耦合驅動系統大多采用行星齒輪耦合方式，其工作模式多樣、變化靈活、功能完備、結構復雜、控制先進[1-3]。本文采用雙電機行星耦合驅動形式，降低單臺電機容量，有利于電機和機械傳動向高轉速方向發展，進一步提高電驅動系統的功率密度。雙電機行星耦合驅動系統能夠協調各電機的工作特性，優化各電機的工作區域，從而提高電動汽車的各項性能指標，它具有更大的節能潛力和更好的發展前景[4-5]。

1 系統結構及工作原理

本文研究的雙電機行星耦合驅動系統結構如圖1所示。雙電機行星耦合驅動系統主要由動力耦合箱(主要包括1組簡單行星齒輪機構和1個制動器B)、動力輸入端的兩臺永磁同步電機(電機1與電機2)組成。行星機構的太陽輪軸與電機1轉子通過花鍵連接；齒圈輪軸與電機2的轉子通過花鍵相連；在耦合箱內有一制動器B，制動器B可動部分與齒圈軸相連，制動器B的固定部分與耦合箱箱體固連；行星架輸出軸通過萬向節傳動軸與主減速器相連，輸出動力。

在低速時，制動器B接合，齒圈鎖止，電機1的動力通過太陽輪輸入，行星架輸出，實現大變比減速后大扭矩輸出，滿足車輛低速爬坡和加速大轉矩的需求；在高速時，制動器B脫開，齒圈解鎖，電機2與電機1通過行星機構實現轉速耦合，共同驅動車輛。雙電機行星耦合驅動系統屬于多能源動力系統的范疇，電機1與電機2既可作為機械動力源驅動車輛，也可作為電動力源在制動時作為發電機運行。

圖1 雙電機行星耦合驅動系統結構圖

2 試驗平臺的搭建

圖2是雙電機行星耦合驅動系統臺架試驗結構示意圖，共分為4個部分，分別為試驗對象、測功機及臺架控制系統、基于DP256的軟硬件平臺綜合控制單元、基于NI軟硬件測試監控系統。圖3為系統布置方案實物圖。

圖2 系統臺架試驗結構示意圖

圖3 系統布置方案實物圖

試驗對象包括電機1及控制器、電機2及控制器、行星齒輪耦合箱。驅動電機1和2均采用高效率、高功率密度額定功率60 kW的永磁同步電機，電機控制器通過CAN通信方式(波特率250 k)接收綜合控制器的目標指令并進行控制，并將電機的實際轉矩、轉速以及故障狀態等參數發送至CAN網絡。行星齒輪耦合箱輸出軸通過轉速轉矩傳感器與測功機相連，太陽輪輸入軸與電機1相連，齒圈輸入軸與電機2相連。

測功機選用已有的電渦流測功機， 基本特性參數為： 最大轉矩Tmax=3 000 N·m；最高功率Pmax=440 kW；最高轉速nmax=6 500 r/min。控制方式包括自然控制、恒轉速、恒轉矩、比例控制、速度二次方控制等。

基于DP256的軟硬件平臺控制單元包括軟件開發平臺和硬件平臺，其主要功能是接收駕駛員的踏板信號，實現對雙電機行星耦合驅動系統的控制[6-7]。

基于NI軟硬件的測試監控系統硬件部分包括傳感器、PXI的數據采集卡、PXI的CAN卡，軟件部分主要由LABview實現試驗數據的采集、顯示及存儲[8-9]。

測試系統采用NI公司M系列多功能高速采集卡PXI-6259對電流、電壓傳感器輸出的模擬信號進行實時采集。采用用于計數器測量和產生數字信號的PXI-6624采集卡對轉速轉矩傳感器輸出的數字信號進行實時采集。測試系統同時使用NI公司的PXI-8461對綜合控制器、電機控制器的CAN信號進行實時監控。基于NI軟硬件的測試監控系統如圖4所示。

圖4 基于NI軟硬件的測試監控系統

為了考核系統的效率，在電機1、電機2控制器的輸入端安裝LEM高精度電流、電壓傳感器，通過對系統輸入電流I、電壓U的采集，得到系統總的電輸入功率Pi，在耦合箱的輸出軸與測功機間安裝三晶JN-338系列的轉速轉矩傳感器，通過對系統輸出軸轉速n、轉矩T的測量，得到系統的機械輸出功率Po，從而實現對系統效率η的分析。系統效率η的計算公式為

(1)

3 系統臺架試驗結果及分析

通過臺架試驗對雙電機行星耦合驅動系統的性能進行測試，在測功機上分別進行雙電機行星耦合驅動系統輸出外特性試驗、系統輸出效率特性試驗。試驗結果表明，控制策略能夠滿足雙電機行星耦合驅動系統的性能需求。

3.1系統外特性試驗

電機1、電機2的峰值功率為110 kW,峰值轉矩450 N·m，額定轉速2 300 r/min，最大轉速6 000 r/min，其外特性曲線如圖5所示。雙電機行星耦合驅動系統的外特性曲線如圖6所示。由圖可知，當耦合驅動系統輸出轉速小于690 r/min時，系統工作于單電機驅動模式，系統的最大驅動轉矩為3 645 N·m，系統的最大驅動功率為110 kW；當系統輸出轉速在690 ～740 r/min之間，系統工作于模式切換區；當系統輸出轉速大于740 r/min時，系統工作于雙電機耦合驅動模式，系統的最大驅動轉矩為1 040 N·m，最大驅動功率為170 kW。

圖5 電機外特性曲線

圖6 雙電機行星耦合驅動系統外特性曲線

3.2系統輸出效率特性試驗

在測功機上分別進行單電機驅動模式和雙電機耦合驅動模式的效率特性試驗和性能分析。從耦合箱零轉速和零轉矩輸出開始，轉速步長為100 r/min，轉矩步長為50 N·m，同時測量雙電機行星耦合驅動系統的輸入總電流和總電壓、輸出轉速和轉矩，從而得到電輸入功率Pi以及機械輸出功率Po，并利用公式(1)計算系統效率，一直測量到系統的最高轉速和最大轉矩。最后利用Matlab軟件樣條函數spline插值分析驅動系統全工作域的效率分布情況，得出系統效率分布圖。例如需測量耦合箱輸出轉速為1 000 r/min,轉矩從零到最大值的效率分布時，首先設定測功機恒轉速為1 000 r/min,逐步調節加速踏板強度，使輸出轉矩從零到最大值按設定的轉矩步長遞增。當輸出轉矩達到設定的目標轉矩時，同時記錄當前的轉速n、轉矩T、電流I和電壓U，利用式(1)計算當前轉速、轉矩下的系統效率。

3.2.1 單電機驅動模式效率特性試驗

當需要較大的驅動力時，雙電機行星耦合驅動系統中的制動器B 將齒圈鎖止，電機2關閉，電機1 把電能轉化為機械能傳遞給行星齒輪機構的太陽輪，經行星齒輪由行星架輸出。單電機驅動時系統效率分布如圖7所示，由圖可知：該模式下，當輸出軸轉速在150 r/min以下時，系統的效率低于80%，其對應的車速不超過4.5 km/h；當輸出轉速在150～700 r/min時，系統效率大于80%，對應的車速為4.5 ～20 km/h；當系統輸出轉矩小于1 000 N·m時，系統效率低于80%。

圖7 單電機驅動系統效率分布圖

3.2.2 雙電機耦合驅動模式效率特性試驗

當所需求的驅動功率較大、驅動力較小時，電機1單獨驅動已不能滿足高速大功率的需求，因此設計了高速雙電機耦合驅動模式。在該模式下，制動器分離，電機1和電機2同時向行星機構輸入動力，電機1 傳遞給太陽輪，電機2傳遞給齒圈，經行星齒輪傳遞給行星架輸出動力。雙電機耦合驅動時系統效率分布如圖8所示。由圖可知，當耦合箱輸出轉矩大于300 N·m時，系統的輸出效率大于80%，由汽車理論可知，當車速大于20 km/h時，純電動大客車所需的輸出軸驅動力矩大于300 N·m，因此當車輛工作于雙電機耦合驅動模式時，系統的工作域效率大于80%。

圖8 雙電機耦合驅動系統效率分布圖

3.2.3 純電動大客車驅動力效率分析

根據圖7及圖8，可以換算得到雙電機行星耦合驅動的18 t純電動大客車驅動力-車速效率分布，如圖9所示，圖中Ff+Fw為滾動阻力與風速阻力之和。當車速為0～11 km/h時，車輛可獲得的最大驅動力為47 kN；當車速為11～20 km/h時，車輛可獲得120 kW的恒定驅動功率；當車速為20 ～50 km/h時，車輛可獲得的最大驅動力為13 kN；當車速為50～85 km/h時，車輛可獲得170 kW的恒定驅動功率。車輛可獲得的最大驅動力遠遠大于車輛的滾動阻力和空氣阻力之和，具有較大的后備功率，有利于滿足車輛加速和爬坡時較大驅動力的需求。

圖9 純電動大客車驅動力效率分布

4 結論

1)搭建了雙電機行星耦合驅動系統臺架試驗平臺，開發了基于DP256的軟硬件平臺以及基于NI軟硬件的測試監控平臺，面向實際的雙電機行星耦合驅動系統，利用臺架試驗對不同工作模式下系統的效率特性進行測試。

2)分析了單電機驅動模式和雙電機耦合驅動模式系統的效率特性。在滿足純電動大客車行駛需求的條件下，系統的效率大于80%的工作區域面積占系統總工作區域面積的85%以上。

[1]王志福，張承寧. 電動汽車電驅動理論與設計[M]. 北京：機械工業出版社，2012: 85-95.

[2]Miller J M, Everett M. An assessment of ultra-capacitors as the power cache in Toyota THS-II, GM-Allision AHS-2 and Ford FHS hybrid propulsion systems[C]// IEEE Applied Power Electronics Conference and Exhibition. Austin, TX:[s.n],2005: 481-490.

[3]高建平，何洪文，孫逢春. 混合動力電動汽車機電耦合系統歸類分析[J].北京理工大學學報，2008，28(3)：197-201.

[4]武小花，陰曉峰. 純電動客車雙電機耦合驅動系統控制策略研究[J].高技術通訊，2013，23(8)： 863-867.

[5]WU Xiao-hua, Li Wei. Overview study of multi-dynamic coupling drive system on EV[C]// 2013 International Conference on Advanced Mechanical Engineering III (AME 2013).Wuhan:[s.n],2013:125-129.

[6]郭孔輝, 靳鵬, 張建偉. 基于MC9S12DP256 的燃料電池電動汽車整車控制器硬件研制[J]. 電子技術應用，2007(6)：28-30.

[7]張亞寧，汪至中. 摩托羅拉16 位單片機MC9S12DP256 在汽車電子中的應用[J].國外電子元器件，2003(11)：17-18.

[8]武小花，張承寧，李司光，等. 基于LabVIEW 的蓄電池充放電電流采集系統[J]. 電力電子技術，2010，44(6)：80-81.

[9]楊樂平. LabVIEW程序設計與應用[M]. 北京：電子工業出版社，2004：84-385.

(編校：夏書林)

ResearchonBenchTestofDual-motorPlanetaryCoupledDriveSystem

WU Xiao-hua1, HAN Guang-wei2, HAN Sheng-ming1

(1.SchoolofTransportationandAutomotiveEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China;2.NationalEngineeringLaboratoryforElectricVehicles,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100083China)

In order to study the efficiency characteristics and mechanical properties of a dual-motor planetary coupled drive system, this paper develops a test platform for the drive system bench test and data analysis. Tests include external characteristic test of the system and output efficiency performance test during single motor drive mode and dual-motor coupling drive mode. The test results show that the test platform can effectively achieve the system performance test. While satisfying the vehicle driving power requirements, dual-motor planetary coupled drive system can effectively extend the range of power train efficiency zone.

electric vehicle; coupling driving; bench test

2014-02-18

四川省科技廳應用基礎項目(2013JY0088)；國家自然科學基金項目(51175040)；四川省教育廳項目(12ZB320)；西華大學基金項目(z1220315)；2012年度西華大學省級重點實驗室開放研究基金項目(szjj2012-012)。

武小花(1984—)，女，講師，博士，主要研究方向為電動汽車整車控制及多動力耦合技術。

U463.212

：A

：1673-159X(2015)02-0054-4

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.02.011