基于系统效率最优的双转子轮毂电机电动汽车驱动模式能量管理策略

doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20230427

摘要/Abstract

摘要：

为了克服传统轮毂电机在电动汽车实际应用中存在的缺点，提出了一种双转子轮毂电机结构，可实现内、外电机单独驱动和双电机耦合驱动多种模式。如何选择最适合当前行驶工况的驱动模式和动态分配内外电机的功率是解决整车能耗问题的关键。在分析电机驱动特性的基础上，基于系统效率最优设计了双转子轮毂电机电动汽车驱动模式的切换规则，并确定了3种驱动模式的具体工作范围；在耦合驱动模式下，根据内、外电机的效率特性，提出了基于系统能耗最小的转矩分配策略。仿真结果表明：车辆在爬坡度分别为5%、10%和15%的坡道上行驶时，与未采用优化策略相比，采用本文的转矩分配策略时系统功率消耗分别降低了4.1%、2.7%和1.6%。在NEDC循环工况中，双转子轮毂电机的3种驱动模式能够随着车速和需求转矩的变化自由切换；内、外电机的大部分工作点均分布在较高的效率范围内，说明两个电机在承担最佳需求转矩的同时，均能以最优效率工作，减小整车能量消耗。双转子轮毂电机动态特性实验结果表明：内、外电机具有较快的响应速度和较强的定速巡航能力，验证了电机结构方案的合理性。

关键词: 车辆工程, 双转子轮毂电机, 驱动模式, 转矩分配, 效率最优

Abstract:

To overcome the shortcomings of traditional in-wheel motor applied in electric vehicles， an integrated dual-rotor in-wheel motor （DRIWM） was proposed， which can realize single inner motor drive， single outer motor drive and dual-motor coupling drive. How to choose the most suitable drive mode for current driving condition and dynamically distribute the power of inner and outer motors is the key to solve the vehicle energy consumption problem. On the basis of the driving characteristics analysis of the motor， the drive mode switching rules of the DRIWM driven electric vehicle were formulated based on the optimal system efficiency， and the specific working range of each drive mode was determined. In the coupling drive mode， a torque distribution strategy based on the minimal energy consumption of the system was proposed by the efficiency characteristics of inner and outer motors. The simulation results show that， when the vehicle is running on the gradients of 5%， 10% and 15% respectively， the system power consumption is reduced by 4.1%， 2.7% and 1.6% using the proposed torque distribution strategy compared with no optimization strategy. In the NEDC cycle， the three drive modes of the DRIWM can freely switch with the changes of vehicle speed and demand torque. Most of the working points of inner and outer motors are distributed in the higher efficiency range， which indicate that the two motors can work with the best efficiency while bearing the best demand torque to reduce the vehicle energy consumption. The experimental results of dynamic characteristics of the DRIWM show that the inner and outer motors have fast speed response and the ability of cruise control， which verifies the rationality of the motor structure scheme.

Key words: vehicle engineering, dual-rotor in-wheel motor, drive mode, torque distribution, optimal efficiency

中图分类号:

U469.72

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图/表 24

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参考文献 16

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工作模式	内电机	外电机	电磁离合器Ⅰ	电磁离合器Ⅱ
内电机单独驱动	●	○	○	●
外电机单独驱动	○	●	●	○
双电机耦合驱动	●	●	●	●

车速范围 /（km·h^-1）	分配至每个车轮的需求转矩/（N·m）	内电机工作	外电机工作
0<v≤8	0<T_req≤67	●
0<v≤8	T_req>67	●	●
8<v≤15	0<T_req≤5.57v+110	●
8<v≤15	T_req>5.57v+110	●	●
15<v≤26	0<T_req≤28	●
15<v≤26	T_req>28	●	●
26<v≤38	0<T_req≤1.5v-11	●
26<v≤38	T_req>1.5v-11	●	●
38<v≤52	0<T_req≤46	●
38<v≤52	T_req>46	●	●
52<v≤60	0<T_req≤-1.63v+130.5	●
52<v≤60	T_req>-1.63v+130.5	●	●
60<v≤120			●

项目	参数	数值
基本参数	整车整备质量/kg	1 040
	迎风面积/m²	1.913
	空气阻力系数	0.33
	车轮半径/m	0.277
	滚动阻力系数	0.015
性能指标	最高车速/（km·h^-1）	120
	行星齿轮机构的传动比	6
	0~50 km/h 加速时间/s	8
	50~80 km/h 加速时间/s	10
	爬坡度/%	15

爬坡度 /%	总需求转矩 /（N·m）	未优化策略		所提转矩分配策略		能耗降低/%
爬坡度 /%	总需求转矩 /（N·m）	内/外电机转矩/（N·m）	功率消耗/kW	内/外电机转矩/（N·m）	功率消耗/kW	能耗降低/%
5	56	4.67/28	0.74	2.99/38.08	0.71	4.1
10	98	8.17/49	1.49	6.7/57.82	1.45	2.7
15	138	11/72	2.47	10.8/73.14	2.43	1.6

参数	数值
参数	内电机	外电机
额定功率/kW	1	3.7
额定转矩/（N·m）	3.2	40
额定转速/（r·min^-1）	3 000	960
永磁体极对数	2	4
转矩常数/（Nm·A^-1）	1.729	5.001
反电动势常数/（V·krpm^-1）	0.627	0.581