[6143]双电机耦合EV动力总成效率的研究外文翻译资料

英语原文共 9 页

双电机耦合EV动力总成效率的研究

摘要:一种提出了速度和扭矩耦合的新型双电机动力耦合总成（DMCP）。在这个动力系统中，一个行星齿轮单元耦合两个电动机的转速，另一个定轴齿轮单元耦合电动机的扭矩。通过集成控制电动机、同步器和离合器，DMCP可以在四种模式下运行以满足不同运行条件的要求，从而提高能量利用效率。本文分析了DMCP在各种模式下的工作原理，并基于车辆纵向动力学理论优化了整体瞬时效率。此外，本文还阐述了DMCP的最优模式转换策略和功率分配策略，并在MATLAB/Simulink环境下开发了详细的双电机电动汽车（EV）模型。仿真结果表明，与普通单电机双速动力总成相比，DMCP可以有效提高电动汽车的能量利用效率，延长电动汽车的续航里程。

索引条款:行驶里程;双电动机;效率优化;电动汽车（EV）动力总成;模式转换;动力分配

1. 介绍

近年来,节能环保电动汽车（EV）已成为研究热点^[1]，EV动力总成设计在实现节能环保方面发挥着重要作用。EV动力总成主要由电动机驱动系统、机械传动系统和其他部件组成。它将电能转换为牵引力以进行推进并在制动时捕获动能，将其转换为电能返回可充电储能系统（RESS）。因此，动力总成效率性能直接影响EV的行驶范围^[2]。

手稿于2013年10月29日收到;2014年3月9日和2014年4月24日修订;2014年7月30日接收。出版日期2014年8月14日;当前版本的日期2015年6月16日。这项工作部分得到了中国国家高技术研究发展计划（863计划）的支持，授权范围为2011AA11A222，部分得到了重庆省自然科学基金项目cstcjjA60001的支持。D.Diplo先生协调了对该文件的审查。

M.Hu，J.Zeng和D.Qin，重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400044（电子邮件：hu_ming@cqu.edu.cn;afeng010@gmail.com;dtqin@cqu.edu.cn）。

S.Xu曾在机械传动国家重点实验室工作，重庆大学，重庆400044现工作于上海汽车工业责任有限公司（SAIC），上海200041（电子邮箱：xushaozhi@gmail.com）。

C.Fu在航空航天机械和制造学院工作工程学院，墨尔本皇家理工学院（RMIT），墨尔本，维多利亚州，3083，澳大利亚（电子邮件：s3298122@student.rmit.edu.au）。

本文中一个或多个图的彩色版本可在http://ieeexplore.ieee.org在线获得。

数字对象标符:10.1109/TVT.2014.2347349

现有的电动汽车动力系统主要有两种形式：独

立的多电动机驱动系统（轮内电动机动力系统）和集中式单电机驱动系统^[3]，[4]。轮内电动机动力总成可以简化传动系统的结构，但它对电动机转矩密度、电动机疲劳寿命以及轮毂和电动机的集成制造水平有更严格的要求。此外，很难克服控制复杂和安全性差的缺点^[5]。另一方面，集中式单电机单速驱动器已被用于大多数现代电动汽车上。然而虽然它简化了动力总成的结构，并且相关的控制器能力通常过剩而无法有效使用，但它对电动机有苛刻的要求^[6]。为解决上述缺点，提出了单电机采用双速变速箱动力系统。Ren et al.制定了一个模型来研究电动汽车动力传动系统的潜在优势，这可能是开发传输系统的另一种方法^[7]。这个模型采用了齿轮传动装置。结果表明，不仅可以获得能量消耗减少方面的直接效益，而且电动机和传动系统尺寸的显着减少，然而，这种方案在实践中仍然很少使用，部分原因是比率变化机制以及换档的可控性和驾驶性能昂贵费用^[8]。

在电机驱动和传动系统领域的极少数新突破以及对车辆经济性能，驾驶舒适性和安全性的日益增长的要求，需要开发具有出色扭矩和速度性能、宽效率运行区域、可靠性高的新型EV动力总成。

针对上述问题，本文提出了一种新型电动机耦合动力总成（DMCP）^[9]。首先，介绍了DMCP在各种模式下的配置和工作原理，然后对其整体效率进行了定义和优化。然后，开发了该DMCP的控制策略。最后，开发了详细的EV模型，以正确评估和验证DMCP的优势。

2.配置和操作原则

动态耦合技术能够耦合和分离两个或多个电源的速度、扭矩或功率^[10]，[11]。DMCP可以通过定轴齿轮单元耦合或者与行星齿轮（PG）单元扭矩耦合。DMCP的结构如图1所示。通过这种结构，可以通过改变各种模式和优化操作点来提高车辆的经济性能，但是不可靠性和更复杂的电机控制是不可避免的。

图1. DMCP的示意图

表I DMCP的动力系统规格

在该动力系中，电动机1（M1）连接到PG的太阳齿轮，电动机2（M2）可以根据同步器（SY）套筒的位置连接到太阳齿轮或齿圈。DMCP的主要规格参见表I ^[12]。动力通过PG单元或轴固定齿轮单元连接，然后通过最终驱动器从托架输出到轴输出。采用动态耦合技术的动力系统不仅降低了对每个动力源的性能要求，还调节了动力源的工作点以减少动力损失。通过离合器的接合和分离以及如表II所示设置SY套筒的位置，DMCP可以在四种驱动模式下运行：单电机1驱动（SM1）、单电机2驱动（SM2）、双电机扭矩耦合驱动（TC）和双电机速度耦合驱动（SC）。

表二系统操作时间表

图2.外部特征

图2绘制了四种驱动模式下的最大输出扭矩和系统功率。DMCP的外部特性非常接近理想的车辆驱动特性^[13]，它不仅提供了出色的动态性能，而且还明显降低了单个电源的性能要求。从以下几个方面：1）在约0-40公里/小时的范围内输出转矩是恒定;2）在约40-150公里/小时的范围内输出功率恒定;3）在约0-80公里/小时的速度范围内TC驱动显着增加牵引能力;4）SC驱动器在大约90km/h后大大延长了速度范围。

杠杆图简单明了的表示动力总成运动学布置，其中扭矩和速度关系用力和位移表示，使用示意性线性连杆和自由体图方案。它们为动力传动系统的旋转参考系提供线性模拟，使其更易于理解^[14]。本节简要分析了具有四种模式的DMCP的工作原理。

1. 单电机1驱动

当SY套筒处于中间位置时，CL1脱离接合，CL2接合，动力传动系统将以SM1模式工作，其中车辆仅由MC1推进。电源流程如图3所示：

图3. SM1驱动电源

图4. SM2驱动电源

图5. TC驱动器功率流

SM1模式下的DMCP动态模型如下

（1）

其中是总惯性力矩，是MC1有理惯性，表示轮速，表示MC1速度，k是PG比率Zr/Zs，是最终传动齿轮比，是MC1扭矩，是车轴所需的总扭矩，代表PG传动效率,是最终传动效率。

1. 单电机2驱动

同样，当SY套管位于右侧时，CL1接合，CL2脱离，动力传动系统工作在SM2模式，车辆仅由MC2驱动。此模式下的动力流程如图4所示。

SM2模式下的DMCP动态模型如下：

（2）

其中是MC2转动惯量，是MC2转速，是转速耦合齿轮比。

1. 双电机扭矩耦合驱动

当SY套筒设置在左侧时，CL1脱离，CL2接合，动力传动系统工作在TC模式。在这种模式下，与其他三种模式相比，轴固定齿轮单元用于耦合两个电机的扭矩以输出更大的牵引力。图5显示了该模式下的功率流。TC模式下的DMCP动态模型由以下等式控制^[13]：

（3）

其中是TCG比率

从给定的方程可以看出，M2的速度是M1的倍，太阳齿轮的可用最大速度是min（，），其中和分别是最大值。M1和M2的速度。此外，两个电动机的转矩可以自由地与约束相结合。

1. 双电机速度耦合驱动器

当SY套管位于右侧时，CL1接合，CL2脱离，动力传动系统将在SC模式下工作，由于SCG的速度耦合，其速度明显高于其他三种模式输出速度。图6显示了该模式下的功率流。

SC模式下的DMCP动态模型如下^[15]

（4）

其中是M1可以以的速度输出的最大转矩，是M2可以以的速度输出的最大转矩。

应当注意，M2的扭矩是M1的扭矩的倍，并且载体的扭矩是。

3.效率优化

由于DMCP中有两个电机，因此整体效率直接受两个电机之间功率分配的影响。在这里，通过综合考虑电池、电动机和变速器的效率，优化整体效率以尽可能地扩展EV高效的范围^[16]。

行驶阻力Fr由滚动阻力、空气阻力、加速度阻力和坡道阻力^[17]，所有这些都可以通过以下公式计算：

其中m是车辆的总质量;g是加速度引力;f是滚动阻力系数；alpha;表示坡度角;是气动阻力系数；A是迎风面积；是以每小时公里数表示的车速；u是以米/秒为单位的车速；，，和分别表示SM1，SM2，TC和SC模式下双电机耦合DMEV的旋转质量转换因子；r是轮胎半径。

系统的输出功率和输入功率：

总体效率定义为：

总效率取决于车辆速度，加速度，电池效率，电动机效率和车辆尺寸。在这些因素中，车辆尺寸是恒定的，而车辆速度，车辆加速度和电池充电状态（SOC）随着道路负荷，驾驶员的需求和电池运行状态而变化。

在SM1和SM2模式中，电机工作点完全由目标车速和目标加速度决定。在TC模式中，两个电机转速是成比例的，并且扭矩可以在约束内任意组合，而

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