武小花，韓光偉2，韓勝明

(1. 西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川 成都 610039；2. 北京理工大學(xué)電動(dòng)車輛國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

·新能源汽車與低碳運(yùn)輸·

雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)研究

武小花1，韓光偉2，韓勝明1

(1. 西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川 成都 610039；2. 北京理工大學(xué)電動(dòng)車輛國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

為對(duì)雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)特性和效率特性進(jìn)行研究，搭建其試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析。試驗(yàn)內(nèi)容包括雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出外特性試驗(yàn)、單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式和雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)模式的效率特性試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，該試驗(yàn)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)性能的有效測(cè)試，在滿足車輛動(dòng)力需求的前提下，雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可有效提高動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)高效區(qū)的范圍。

電動(dòng)汽車；耦合驅(qū)動(dòng)；臺(tái)架試驗(yàn)

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(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為了電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。國(guó)外動(dòng)力耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制先進(jìn)[1-3]。本文采用雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)形式，降低單臺(tái)電機(jī)容量，有利于電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)向高轉(zhuǎn)速方向發(fā)展，進(jìn)一步提高電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率密度。雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)各電機(jī)的工作特性，優(yōu)化各電機(jī)的工作區(qū)域，從而提高電動(dòng)汽車的各項(xiàng)性能指標(biāo)，它具有更大的節(jié)能潛力和更好的發(fā)展前景[4-5]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本文研究的雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由動(dòng)力耦合箱(主要包括1組簡(jiǎn)單行星齒輪機(jī)構(gòu)和1個(gè)制動(dòng)器B)、動(dòng)力輸入端的兩臺(tái)永磁同步電機(jī)(電機(jī)1與電機(jī)2)組成。行星機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪軸與電機(jī)1轉(zhuǎn)子通過(guò)花鍵連接；齒圈輪軸與電機(jī)2的轉(zhuǎn)子通過(guò)花鍵相連；在耦合箱內(nèi)有一制動(dòng)器B，制動(dòng)器B可動(dòng)部分與齒圈軸相連，制動(dòng)器B的固定部分與耦合箱箱體固連；行星架輸出軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸與主減速器相連，輸出動(dòng)力。

在低速時(shí)，制動(dòng)器B接合，齒圈鎖止，電機(jī)1的動(dòng)力通過(guò)太陽(yáng)輪輸入，行星架輸出，實(shí)現(xiàn)大變比減速后大扭矩輸出，滿足車輛低速爬坡和加速大轉(zhuǎn)矩的需求；在高速時(shí)，制動(dòng)器B脫開(kāi)，齒圈解鎖，電機(jī)2與電機(jī)1通過(guò)行星機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速耦合，共同驅(qū)動(dòng)車輛。雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)屬于多能源動(dòng)力系統(tǒng)的范疇，電機(jī)1與電機(jī)2既可作為機(jī)械動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)車輛，也可作為電動(dòng)力源在制動(dòng)時(shí)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。

圖1 雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

圖2是雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖，共分為4個(gè)部分，分別為試驗(yàn)對(duì)象、測(cè)功機(jī)及臺(tái)架控制系統(tǒng)、基于DP256的軟硬件平臺(tái)綜合控制單元、基于NI軟硬件測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)。圖3為系統(tǒng)布置方案實(shí)物圖。

圖2 系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 系統(tǒng)布置方案實(shí)物圖

試驗(yàn)對(duì)象包括電機(jī)1及控制器、電機(jī)2及控制器、行星齒輪耦合箱。驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)，電機(jī)控制器通過(guò)CAN通信方式(波特率250 k)接收綜合控制器的目標(biāo)指令并進(jìn)行控制，并將電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及故障狀態(tài)等參數(shù)發(fā)送至CAN網(wǎng)絡(luò)。行星齒輪耦合箱輸出軸通過(guò)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器與測(cè)功機(jī)相連，太陽(yáng)輪輸入軸與電機(jī)1相連，齒圈輸入軸與電機(jī)2相連。

測(cè)功機(jī)選用已有的電渦流測(cè)功機(jī)， 基本特性參數(shù)為： 最大轉(zhuǎn)矩Tmax=3 000 N·m；最高功率Pmax=440 kW；最高轉(zhuǎn)速nmax=6 500 r/min?？刂品绞桨ㄗ匀豢刂?、恒轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩、比例控制、速度二次方控制等。

基于DP256的軟硬件平臺(tái)控制單元包括軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)和硬件平臺(tái)，其主要功能是接收駕駛員的踏板信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制[6-7]。

基于NI軟硬件的測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分包括傳感器、PXI的數(shù)據(jù)采集卡、PXI的CAN卡，軟件部分主要由LABview實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示及存儲(chǔ)[8-9]。

測(cè)試系統(tǒng)采用NI公司M系列多功能高速采集卡PXI-6259對(duì)電流、電壓傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。采用用于計(jì)數(shù)器測(cè)量和產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的PXI-6624采集卡對(duì)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。測(cè)試系統(tǒng)同時(shí)使用NI公司的PXI-8461對(duì)綜合控制器、電機(jī)控制器的CAN信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控?；贜I軟硬件的測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 基于NI軟硬件的測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)

為了考核系統(tǒng)的效率，在電機(jī)1、電機(jī)2控制器的輸入端安裝LEM高精度電流、電壓傳感器，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)輸入電流I、電壓U的采集，得到系統(tǒng)總的電輸入功率Pi，在耦合箱的輸出軸與測(cè)功機(jī)間安裝三晶JN-338系列的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)輸出軸轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T的測(cè)量，得到系統(tǒng)的機(jī)械輸出功率Po，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)效率η的分析。系統(tǒng)效率η的計(jì)算公式為

(1)

3 系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)功機(jī)上分別進(jìn)行雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出外特性試驗(yàn)、系統(tǒng)輸出效率特性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，控制策略能夠滿足雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能需求。

3.1系統(tǒng)外特性試驗(yàn)

電機(jī)1、電機(jī)2的峰值功率為110 kW,峰值轉(zhuǎn)矩450 N·m，額定轉(zhuǎn)速2 300 r/min，最大轉(zhuǎn)速6 000 r/min，其外特性曲線如圖5所示。雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的外特性曲線如圖6所示。由圖可知，當(dāng)耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速小于690 r/min時(shí)，系統(tǒng)工作于單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，系統(tǒng)的最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為3 645 N·m，系統(tǒng)的最大驅(qū)動(dòng)功率為110 kW；當(dāng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速在690 ～740 r/min之間，系統(tǒng)工作于模式切換區(qū)；當(dāng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速大于740 r/min時(shí)，系統(tǒng)工作于雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)模式，系統(tǒng)的最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1 040 N·m，最大驅(qū)動(dòng)功率為170 kW。

圖5 電機(jī)外特性曲線

圖6 雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外特性曲線

3.2系統(tǒng)輸出效率特性試驗(yàn)

在測(cè)功機(jī)上分別進(jìn)行單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式和雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)模式的效率特性試驗(yàn)和性能分析。從耦合箱零轉(zhuǎn)速和零轉(zhuǎn)矩輸出開(kāi)始，轉(zhuǎn)速步長(zhǎng)為100 r/min，轉(zhuǎn)矩步長(zhǎng)為50 N·m，同時(shí)測(cè)量雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入總電流和總電壓、輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，從而得到電輸入功率Pi以及機(jī)械輸出功率Po，并利用公式(1)計(jì)算系統(tǒng)效率，一直測(cè)量到系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)矩。最后利用Matlab軟件樣條函數(shù)spline插值分析驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)全工作域的效率分布情況，得出系統(tǒng)效率分布圖。例如需測(cè)量耦合箱輸出轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,轉(zhuǎn)矩從零到最大值的效率分布時(shí)，首先設(shè)定測(cè)功機(jī)恒轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,逐步調(diào)節(jié)加速踏板強(qiáng)度，使輸出轉(zhuǎn)矩從零到最大值按設(shè)定的轉(zhuǎn)矩步長(zhǎng)遞增。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩時(shí)，同時(shí)記錄當(dāng)前的轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T、電流I和電壓U，利用式(1)計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩下的系統(tǒng)效率。

3.2.1 單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式效率特性試驗(yàn)

當(dāng)需要較大的驅(qū)動(dòng)力時(shí)，雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)器B 將齒圈鎖止，電機(jī)2關(guān)閉，電機(jī)1 把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能傳遞給行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪，經(jīng)行星齒輪由行星架輸出。單電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)效率分布如圖7所示，由圖可知：該模式下，當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)速在150 r/min以下時(shí)，系統(tǒng)的效率低于80%，其對(duì)應(yīng)的車速不超過(guò)4.5 km/h；當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速在150～700 r/min時(shí)，系統(tǒng)效率大于80%，對(duì)應(yīng)的車速為4.5 ～20 km/h；當(dāng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩小于1 000 N·m時(shí)，系統(tǒng)效率低于80%。

圖7 單電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率分布圖

3.2.2 雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)模式效率特性試驗(yàn)

當(dāng)所需求的驅(qū)動(dòng)功率較大、驅(qū)動(dòng)力較小時(shí)，電機(jī)1單獨(dú)驅(qū)動(dòng)已不能滿足高速大功率的需求，因此設(shè)計(jì)了高速雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)模式。在該模式下，制動(dòng)器分離，電機(jī)1和電機(jī)2同時(shí)向行星機(jī)構(gòu)輸入動(dòng)力，電機(jī)1 傳遞給太陽(yáng)輪，電機(jī)2傳遞給齒圈，經(jīng)行星齒輪傳遞給行星架輸出動(dòng)力。雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)效率分布如圖8所示。由圖可知，當(dāng)耦合箱輸出轉(zhuǎn)矩大于300 N·m時(shí)，系統(tǒng)的輸出效率大于80%，由汽車?yán)碚摽芍?dāng)車速大于20 km/h時(shí)，純電動(dòng)大客車所需的輸出軸驅(qū)動(dòng)力矩大于300 N·m，因此當(dāng)車輛工作于雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，系統(tǒng)的工作域效率大于80%。

圖8 雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率分布圖

3.2.3 純電動(dòng)大客車驅(qū)動(dòng)力效率分析

根據(jù)圖7及圖8，可以換算得到雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)的18 t純電動(dòng)大客車驅(qū)動(dòng)力-車速效率分布，如圖9所示，圖中Ff+Fw為滾動(dòng)阻力與風(fēng)速阻力之和。當(dāng)車速為0～11 km/h時(shí)，車輛可獲得的最大驅(qū)動(dòng)力為47 kN；當(dāng)車速為11～20 km/h時(shí)，車輛可獲得120 kW的恒定驅(qū)動(dòng)功率；當(dāng)車速為20 ～50 km/h時(shí)，車輛可獲得的最大驅(qū)動(dòng)力為13 kN；當(dāng)車速為50～85 km/h時(shí)，車輛可獲得170 kW的恒定驅(qū)動(dòng)功率。車輛可獲得的最大驅(qū)動(dòng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車輛的滾動(dòng)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(shí)較大驅(qū)動(dòng)力的需求。

圖9 純電動(dòng)大客車驅(qū)動(dòng)力效率分布

4 結(jié)論

1)搭建了雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了基于DP256的軟硬件平臺(tái)以及基于NI軟硬件的測(cè)試監(jiān)控平臺(tái)，面向?qū)嶋H的雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，利用臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)不同工作模式下系統(tǒng)的效率特性進(jìn)行測(cè)試。

2)分析了單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式和雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)模式系統(tǒng)的效率特性。在滿足純電動(dòng)大客車行駛需求的條件下，系統(tǒng)的效率大于80%的工作區(qū)域面積占系統(tǒng)總工作區(qū)域面積的85%以上。

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(編校：夏書(shū)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(yīng)用基礎(chǔ)項(xiàng)目(2013JY0088)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175040)；四川省教育廳項(xiàng)目(12ZB320)；西華大學(xué)基金項(xiàng)目(z1220315)；2012年度西華大學(xué)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金項(xiàng)目(szjj2012-012)。

武小花(1984—)，女，講師，博士，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車整車控制及多動(dòng)力耦合技術(shù)。

U463.212

：A

：1673-159X(2015)02-0054-4

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