一種輪邊傳動(dòng)越野車輛電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜萬亮 李勇 解德杰 吳昊洋 陳文鵬

摘 要：與集中式驅(qū)動(dòng)相比，輪邊分布式驅(qū)動(dòng)省去了變速器、傳動(dòng)軸、機(jī)械差速器、半軸等部件，把電機(jī)移動(dòng)到車輪側(cè)，使其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)變得更為簡單。本方案整車為電池與增程器并聯(lián)的電驅(qū)動(dòng)車輛，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)需要與工況和性能指標(biāo)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。整車控制器通過控制多個(gè)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)牽引和差速，整車電磁環(huán)境復(fù)雜、對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求較高。本文根據(jù)混合動(dòng)力輪邊分散驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，綜合整車工況、輕量化和機(jī)動(dòng)性要求高的需求優(yōu)化系統(tǒng)資源配置，進(jìn)行電池和增程器系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與整車性能與動(dòng)力需求的匹配分析，主要完成了電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)匹配、基于有限元的電磁方案優(yōu)化、采用矢量控制算法提升系統(tǒng)的性能、采用緊湊化的電機(jī)結(jié)構(gòu)和雙模塊的控制器機(jī)殼以輕量化、采用模塊化的FlexRay通信方案，進(jìn)行了電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的樣機(jī)試制和裝車試驗(yàn)，獲得良好的綜合性能滿足整車需求。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力;分散驅(qū)動(dòng);矢量控制;有限元;FlexRay;參數(shù)匹配;輕量化

1 整車特性

1.1 整車需求

整車為四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪架可調(diào)姿混合動(dòng)力車輛，為滿足全地形高通過性的要求，有原地轉(zhuǎn)向、越野、最高速、越壕、側(cè)傾坡行駛、越障、大坡度爬坡、松軟路面、越野平均速度和續(xù)航里程等的基本功能和性能要求。原地轉(zhuǎn)向、越障、越壕、爬坡工況的動(dòng)力性能分析需要與車身姿態(tài)調(diào)節(jié)相匹配實(shí)現(xiàn)。

1.2 整車特性設(shè)計(jì)

1.2.1 牽引力計(jì)算考慮因素

根據(jù)整車動(dòng)力學(xué)的仿真，進(jìn)行整車阻力和動(dòng)力性的分析實(shí)現(xiàn)整車牽引力的設(shè)計(jì)。在動(dòng)力學(xué)仿真的基礎(chǔ)上，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)整車動(dòng)力性能要求綜合整車電源系統(tǒng)資源配置校核整車的加減速和爬坡和原地轉(zhuǎn)向等工況性能[1]。

根據(jù)車輛行駛動(dòng)力學(xué)理論[2]，車輛行駛阻力主要分為滾動(dòng)摩擦阻力、坡道阻力、加速阻力和迎風(fēng)阻力，可表示為：

其中：

F-整車牽引力;f-輪胎與地面之間的滾動(dòng)阻力系數(shù);φ（f）-路面平均附著系數(shù);ms-整車質(zhì)量;α-坡道角度;δ-等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;a-車輛加速度;CD-迎風(fēng)阻力系數(shù);A-迎風(fēng)面積;v-車速。

1.2.2 牽引力及功率計(jì)算

綜合考慮整車的質(zhì)心和整車姿態(tài)的調(diào)節(jié)、電機(jī)負(fù)荷不均的程度、輪胎在各地面的附著能力分別進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向所需牽引力和爬坡動(dòng)力的計(jì)算。經(jīng)計(jì)算分析，滿足大爬坡度的要求時(shí)整車牽引力需求最大。

整車在越野路面滿載下按越野30km/h速度并留有剩余加速度進(jìn)行額定功率定額;最大功率按照滿足最高車速、大爬坡基礎(chǔ)上，綜合校核整車的加減速性能、電源系統(tǒng)容量、制動(dòng)性能和制動(dòng)電阻的吸收能力等綜合確定。

2 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

綜合考慮電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的尺寸、重量限制的要求，采用緊湊化的電機(jī)結(jié)構(gòu)和雙模塊的控制器機(jī)殼并采用鋁合金材料。針對(duì)整車的低速過載頻繁、過載轉(zhuǎn)矩倍數(shù)大的特性[3-4]，綜合電機(jī)的電磁方案和矢量控制算法降低低速過載下的銅耗，改善低速過載下電機(jī)的發(fā)熱;為了滿足整車的靜默行駛動(dòng)力性能要求，優(yōu)化電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的電壓設(shè)計(jì)特性并采用過調(diào)制策略保證高速的動(dòng)力輸出;為了滿足多輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩輸出的實(shí)時(shí)性要求，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與多輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制器間采用模塊化的FlexRay通信方案[5]。

2.1 電機(jī)電磁方案設(shè)計(jì)

基于Ansoft軟件進(jìn)行內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的電磁方案設(shè)計(jì)[3，6，7]，利用有限元分析軟件進(jìn)行主要參數(shù)提取和校核各工況下電機(jī)磁負(fù)荷，采用場(chǎng)路結(jié)合的方法進(jìn)行電機(jī)電磁方案設(shè)計(jì)。采用高磁負(fù)荷的電磁方案設(shè)計(jì)[8]。

2.2 驅(qū)動(dòng)器方案設(shè)計(jì)

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊共用冷卻水道、直流進(jìn)出線及母排、薄膜電容、低壓轉(zhuǎn)接電路的雙模塊的控制器機(jī)殼。模塊化的FlexRay通信板卡通過支座安裝在驅(qū)動(dòng)器的控制板上。

2.2.2 控制算法仿真

基于永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制原理[9]，結(jié)合電機(jī)的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行永磁同步電機(jī)及其控制算法的仿真[10]，利用Simulink建立了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型。

基于simulink搭建的仿真模型見圖1。模型具備最大轉(zhuǎn)矩電流比控制、高速弱磁控制、電壓空間矢量調(diào)制（SVPWM）的基本實(shí)現(xiàn)方式，并考慮到高磁負(fù)荷的電機(jī)方案進(jìn)行電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器飽和的影響分析，并進(jìn)行了電機(jī)磁飽和補(bǔ)償?shù)乃惴ǚ抡骝?yàn)證。

某工況整車運(yùn)行下電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖2。在整個(gè)過程中電機(jī)都工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，采用最大轉(zhuǎn)矩電流比的控制算法，仿真的電流分配與轉(zhuǎn)矩輸出與電機(jī)的設(shè)計(jì)相一致。

2.2.3 通信設(shè)計(jì)

為了減少電磁干擾對(duì)系統(tǒng)正常工作產(chǎn)生的影響、增加多輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)性，采用新一代車載網(wǎng)絡(luò)FlexRay代替CAN網(wǎng)絡(luò)為多輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)與各電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的通信網(wǎng)絡(luò)。采用模塊化的設(shè)計(jì)和FlexRay通信子卡實(shí)現(xiàn)多輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器與四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的FlexRay局部組網(wǎng)。利用板卡與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通信，只需簡單的讀寫RAM區(qū)數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)FlexRay通信，采用雙通道冗余模式，接收到更新的新數(shù)據(jù)后將置相應(yīng)數(shù)據(jù)位，通知用戶提取數(shù)據(jù)。FlexRay總線默認(rèn)波特率：5Mbps。

FlexRay子卡和外面控制器的連接如圖3所示。

2.3 分散驅(qū)動(dòng)的特殊要求

本項(xiàng)目采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)輸出的功率富余量比較大，但應(yīng)考慮電機(jī)的負(fù)荷不均的發(fā)熱影響、因工況和輪載荷的差異需要較大的轉(zhuǎn)矩輸出過載倍數(shù)和驅(qū)動(dòng)器的峰值電流。多輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的防滑控制需要根據(jù)整車的工況和動(dòng)力性能同電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩變化率進(jìn)行配合設(shè)計(jì)和聯(lián)合調(diào)試確定。因多電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車的電磁環(huán)境更復(fù)雜，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)考慮電磁干擾的影響，從電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)抗干擾的角度，采用 FlexRay通信方式、進(jìn)行旋變信號(hào)的軟件濾波處理和容錯(cuò)設(shè)計(jì)。

3 動(dòng)力系統(tǒng)的匹配分析

根據(jù)整車的動(dòng)力性能指標(biāo)進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)的資源配置和參數(shù)匹配設(shè)計(jì);電機(jī)系統(tǒng)的輸入輸出功率特性應(yīng)與電池及增程器的設(shè)計(jì)相匹配，純電行駛和混合動(dòng)力模式下的工況需求，應(yīng)結(jié)合電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的效率設(shè)計(jì)校核，如在大爬坡要求下需要電機(jī)系統(tǒng)在低速下輸出大轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)的損耗最大，應(yīng)綜合考慮與電池容量選擇、持續(xù)過載放電能力、能量管理策略等相匹配。整車的熱管理應(yīng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)的冷卻要求相匹配。

4 樣機(jī)及試驗(yàn)

電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的樣機(jī)見圖4。進(jìn)行了樣機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試和裝車試驗(yàn)，初步試驗(yàn)結(jié)果滿足使用需求。

5 結(jié)論

本文對(duì)所設(shè)計(jì)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試和裝車試驗(yàn)，驗(yàn)證了方案設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、與電池及增程器系統(tǒng)的匹配，滿足整機(jī)性能基本要求。

本項(xiàng)目配套的整車全地面通過性要求高，整車的動(dòng)力性能需要電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同車身姿態(tài)調(diào)節(jié)、輪架翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等相配合實(shí)現(xiàn)，還需要深入結(jié)合整車資源配置和各系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能及與各系統(tǒng)的匹配性，同時(shí)，需要對(duì)整車的工況和運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行研究以更好地優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]裝甲車輛混合動(dòng)力電傳動(dòng)技術(shù)（第二版）[M].北京：國防工業(yè)出版社，2016.

[2]馬德糧.新能源汽車技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.

[3]西南交通大學(xué)電機(jī)系.牽引電機(jī)[M].北京：中國鐵道出版社，1980.

[4]丁榮軍，黃濟(jì)榮.現(xiàn)代變流技術(shù)與電氣傳動(dòng)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[5]李菲，郭愛華，宋德星.基于FlexRay總線的通訊單元設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2012（10）：79-81.

[6]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[7]趙博，張洪亮.Ansoft 12在工程電磁場(chǎng)中的應(yīng)用[M].中國水利水電出版社，2013.

[8]成熹.高磁密異步牽引電機(jī)磁路計(jì)算方法[M].電力機(jī)車與城軌車輛，2010（04）：15-17.

[9]王成元，夏加寬，孫宜標(biāo).現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[10]黃碧霞.永磁同步電機(jī)及其控制系統(tǒng)的仿真研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.