CN105667346A - 一种三电机混合驱动载货汽车及动力系统参数匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三电机混合驱动载货汽车及动力系统参数匹配方法。该三电机混合驱动载货汽车由第一驱动电机、第一输入轴、第一减速器、第一输出轴、汽车前桥、第二输入轴、第二驱动电机、第一动力电池、第二动力电池、第三驱动电机、第三输入轴、汽车后桥、第二输出轴、第二减速器、第三动力电池、控制器和第四动力电池组装构成；本发明在动力系统的参数匹配过程中，给出了三电机混合驱动载货汽车第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机、减速器的参数匹配方法，为三电机混合驱动载货汽车动力系统开发提供了理论基础。本发明可减小驱动电机容量和电机制造难度，降低成本，同时通过三个电机功率的合理匹配，可以显著提高整车动力性与经济性。

Description

一种三电机混合驱动载货汽车及动力系统参数匹配方法

技术领域

本发明属于汽车动力系统领域，具体的说涉及一种三电机混合驱动载货汽车及动力系统参数匹配方法。

背景技术

为解决能源与环境危机，电动汽车已成为世界汽车工业研究的热点。载货汽车作为汽车工业的重要组成部分，它的电动化将为解决能源与环境问题做出突出贡献。

当前，电动载货汽车主要为单电机驱动，电动载货汽车与乘用车相比，存在载重大、风阻系数高、空载与满载、低速与高速功率需求差别大的特点，因此如果采用单电机驱动，在低速、空载状况下就会产生大马拉小车、能源利用效率偏低的现象。

电动载货汽车在满载、高速状况下需要极大的驱动功率，因此单电机驱动的电动载货汽车的驱动电机功率会非常大，而大功率驱动电机及控制器一般需要水冷机构，制造工艺复杂，生产成本高。

电动载货汽车载重大，减速和刹车工况下，可回收能量较大，单电机驱动方案，无法充分的回收制动能量。

电动载货汽车的三电机驱动方案具有比单电机驱动方案更高的灵活性，同时，三电机驱动方案也对动力系统的参数匹配提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三电机混合驱动载货汽车及动力系统参数匹配方法，带有三电机的纯电动载货汽车可显著减小单个驱动电机容量，减小电机制造难度，降低成本，同时通过三个电机功率的合理匹配，可以显著提高整车动力性与经济性。

本发明的具体技术方案如下：

该三电机混合驱动载货汽车包括第一驱动电机、第一输入轴、第一减速器、第一输出轴、汽车前桥、第二输入轴、第二驱动电机、第一动力电池、第二动力电池、第三驱动电机、第三输入轴、汽车后桥、第二输出轴、第二减速器、第三动力电池、控制器和第四动力电池；其特征在于：所述第一驱动电机通过第一输入轴连接第一减速器，第一减速器的第一输出轴与汽车前桥相连，第一驱动电机主要用来满足载货汽车空载常见循环工况下功率需求；所述第二驱动电机通过第二输入轴连接第一减速器，第二驱动电机辅助第一驱动电机满足载货汽车满载常见循环工况下功率需求；所述第三驱动电机通过第三输入轴与第二减速器相连，第二减速器的第二输出轴与汽车后桥相连，所述第三驱动电机与第二驱动电机共同辅助第一驱动电机满足载货汽车满载高速巡航工况下功率需求；所述第一驱动电机、第二驱动电机和第三驱动电机分别与控制器连接、同时第一驱动电机、第二驱动电机和第三驱动电机在减速与制动状态下协同进行制动能量回收。

所述控制器用于驾驶员意图识别、能量管理、驱动/制动控制、状态监测与容错控制。

所述控制器与第一动力电池、第二动力电池、第三动力电池、和第四动力电池连接。

上述三电机混合驱动载货汽车动力系统匹配方法包括以下步骤：

、用Matlab/simulink搭建整车后向仿真模型和整车前向仿真模型，整车后向仿真模型包括循环工况模型、汽车模型、车轮模型、减速器模型、电机模型；整车前向仿真模型包括第一驱动电机模型、第二驱动电机模型、第三驱动电机模型、第一减速器模型、第二减速器模型、车轮模型、汽车模型；

、根据整车性能指标，利用整车后向仿真模型计算载货汽车CYC_UDDS工况下的动力系统功率需求、最高车速下的动力系统功率需求，对第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机进行功率分配；

1）、用整车空载在CYC_UDDS循环工况下的动力系统功率需求设计第一驱动电机峰值功率和额定功率，第一驱动电机峰值功率满足整车空载在CYC_UDDS循环工况下的动力系统峰值功率需求，第一驱动电机额定功率满足整车空载在CYC_UDDS循环工况下90%以上时间段的动力系统功率需求，第一驱动电机额定功率、峰值功率满足以下关系：

(1)

(2)

(3)

式中，为第一驱动电机额定功率，为整车空载在CYC_UDDS循环工况下动力系统额定功率需求，满足整车空载在CYC_UDDS循环工况下90%以上时间段的动力系统功率需求，为第一驱动电机峰值功率，为整车空载在CYC_UDDS循环工况下动力系统峰值功率需求，为第一驱动电机过载系数；

2）、用整车满载在CYC_UDDS循环工况下的动力系统功率需求确定第二驱动电机峰值功率和额定功率，即第二驱动电机峰值功率与第一驱动电机峰值功率之和满足整车满载在CYC_UDDS循环工况下的动力系统峰值功率需求，第二驱动电机额定功率与第一驱动电机额定功率之和满足整车满载在CYC_UDDS循环工况下90%以上时间段的动力系统功率需求，第二驱动电机额定功率、峰值功率满足以下关系：

(4)

(5)

(6)

式中，为第二驱动电机额定功率，为整车满载在CYC_UDDS循环工况下动力系统额定功率需求，满足整车满载在CYC_UDDS循环工况下90%以上时间段的动力系统功率需求，为第二驱动电机峰值功率，为整车满载在CYC_UDDS循环工况下动力系统峰值功率需求，为第二驱动电机过载系数；

3）、用整车满载最高车速工况下动力系统功率需求确定第三驱动电机功率，即第三驱动电机额定功率、第二驱动电机额定功率与第一驱动电机额定功率之和满足最高车速满载工况下动力系统额定功率需求，第三驱动电机额定功率、峰值功率满足以下关系：

(7)

(8)

式中，为第三驱动电机额定功率，为整车满载最高车速下的动力系统功率需求，为电机过载系数；

、根据驱动电机额定输出功率、过载系数和工作工况，初步选定驱动电机型号，并根据驱动电机效率和持续工作转矩图、过载系数、整车参数及性能指标对传动系进行设计，本发明三电机混合驱动载货汽车采用一级减速器结构设计，第一减速器传动比最大值、第二减速器传动比最大值满足最高车速要求，第一减速器传动比最小值、第二减速器传动比最小值满足加速和爬坡性能要求，同时第一减速器传动比使第一驱动电机、第二驱动电机额定转速落在常规车速附近，第二减速器传动比使第三驱动电机额定转速落在CYC_UDDS循环工况最高车速附近；

、利用整车前向仿真模型对整车最高车速、加速性能、爬坡性能进行验证；

本发明的优点和技术效果是：

1、本发明与现有的单电机驱动方案和双电机驱动方案相比，同时考虑了载荷、速度两个因素对载货汽车动力系统额定输出功率的影响，可以在空载常见循环工况、满载常见循环工况、高速巡航工况、爬坡、加速等不同工况下采用不同的驱动电机及驱动电机间的组合进行驱动，使驱动电机始终工作在高效率区内。

2本发明与单电机驱动方案相比，三电机混合驱动方案中的的单个驱动电机功率明显减小，不需要水冷机构，显著减小了电机制造难度，降低了成本，三电机混合驱动方案可以更加灵活的进行制动能量回收。

3、本发明在动力系统的参数匹配过程中，利用整车后向仿真模型，对载货汽车CYC_UDDS循环工况下的动力系统功率需求进行了模拟计算，给出CYC_UDDS循环工况下的动力系统功率需求曲线图，与传统的利用驱动力平衡方程、功率平衡方程计算的方法相比，可更加直观、准确的算出驱动电机的驱动功率，最后利用整车前向仿真模型对本发明动力性进行验证，保证了设计的合理性。

附图说明

图1为本发明三电机混合驱动载货汽车整体结构示意图。

图2为本发明基于MATLAB/SIMULINK的整车后向仿真模型图。

图3为本发明基于MATLAB/SIMULINK的整车前向仿真模型图。

图4为本发明载货汽车空载在CYC_UDDS循环工况下的动力系统功率需求仿真曲线图

图5为本发明载货汽车满载在CYC_UDDS循环工况下的动力系统功率需求仿真曲线图。

图6为本发明第一驱动电机效率和持续工作转矩图。

图7为本发明第二驱动电机效率和持续工作转矩图。

图8为本发明第三驱动电机效率和持续工作转矩图。

图9为本发明载货汽车最高车速仿真曲线图。

图10为本发明载货汽车加速性能仿真曲线图。

图11为本发明载货汽车坡度为28.5%时的爬坡性能仿真曲线图。

具体实施方式

申请人根据具体的车型开发过程给出本发明的一个实施例，某型号轻型载货汽车整车参数为：整备质量（不包含电池）为750kg，电池质量为480kg，最大载重量1000kg，车轮滚动半径0.312m，滚动阻力系数为0.0076+0.00056u，u为车速，整车迎风面积2.5m³，空气阻力系数0.6，旋转质量换算系数1.05；整车性能指标为：最高车速120km/h，0～80km/h加速时间≤15s，最大爬坡度≥25%；

如附图1所示：该三电机混合驱动载货汽车包括第一驱动电机1、第一输入轴2、第一减速器3、第一输出轴4、汽车前桥5、第二输入轴6、第二驱动电机7、第一动力电池8、第二动力电池9、第三驱动电机10、第三输入轴11、汽车后桥12、第二输出轴13、第二减速器14、第三动力电池15、控制器16和第四动力电池17；其特征在于：所述第一驱动电机1通过第一输入轴2连接第一减速器3，第一减速器3的第一输出轴4与汽车前桥5相连，第一驱动电机1主要用来满足载货汽车空载、常见循环工况下功率需求；所述第二驱动电机7通过第二输入轴6连接第一减速器3，第二驱动电机7辅助第一驱动电机1满足载货汽车满载、常见循环工况下功率需求；所述第三驱动电机10通过第三输入轴11与第二减速器14相连，第二减速器14的第二输出轴13与汽车后桥12相连，所述第三驱动电机10与第二驱动电机7共同辅助第一驱动电机1满足载货汽车满载、高速巡航工况下功率需求；所述第一驱动电机1、第二驱动电机7和第三驱动电机10分别与控制器16连接、同时第一驱动电机1、第二驱动电机7和第三驱动电机10在减速与制动状态下协同进行制动能量回收。

所述控制器16用于驾驶员意图识别、能量管理、驱动/制动控制、状态监测与容错控制。

所述控制器16与第一动力电池8、第二动力电池9、第三动力电池15、和第四动力电池17连接。

用Matlab/simulink搭建整车后向仿真模型（如图2所示），整车后向仿真模型包括循环工况模型、汽车模型、车轮模型、减速器模型、电机模型；

用Matlab/simulink搭建整车前向仿真模型（如图3所示），整车前向仿真模型包括第一驱动电机模型、第二驱动电机模型、第三驱动电机模型、第一减速器模型、第二减速器模型、车轮模型、汽车模型；

根据整车参数和性能指标，利用整车后向仿真模型对整车功率需求进行计算，计算可得到整车空载在CYC_UDDS循环工况下的动力系统功率需求如附图3所示，整车满载在CYC_UDDS循环工况下的动力系统功率需求如图4所示，整车满载最高车速动力系统功率需求为44.46kW；

如附图3所示，整车空载在CYC_UDDS循环工况下的动力系统功率需求为：最大需求功率32.9kW，当功率为16kW时，可满足整车空载在CYC_UDDS循环工况下90%以上时间段的动力系统功率需求，根据式(1)～(3)可确定第一驱动电机峰值功率为33kW，额定功率为16kW，第一驱动电机过载系数为2.06；

如附图4所示，整车满载在CYC_UDDS循环工况下的动力系统功率需求为：最大功率53.58kW，当功率为26kW时，可满足整车满载在CYC_UDDS循环工况下90%以上时间段的动力系统功率需求，根据式(4)～(6)可计算第二驱动电机峰值功率为20.58kW，取整21kW，额定功率为10kW，第二驱动电机过载系数为2.1；

整车满载最高车速工况下动力系统功率需求为44.46kW，根据式(7)、式(8)得第三驱动电机额定功率为18.46Kw，取值20kW;

根据第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机功率需求、过载系数和工作工况，初步选择的第一驱动电机效率和持续工作转矩图如附图6所示，第二驱动电机效率和持续工作转矩图如附图7所示，第三驱动电机效率和持续工作转矩图如附图8所示；

根据驱动电机效率和持续工作转矩图、驱动电机过载系数、车轮滚动半径、整车最高车速、爬坡与加速性能需求，设计出第一减速器第一输入轴02与输出轴04传动比为5.8，第一减速器第二输入轴06与输出轴04传动比为6.7，此时，第一驱动电机、第二驱动电机最高转速满足最高车速要求，第一驱动电机、第二驱动电机额定转速落在常规车速附近，第二减速器传动比为7.05，此时第三驱动电机最高转速满足最高车速要求，第三驱动电机额定转速落在CYC_UDDS循环工况最高车速附近；

如图3所示，用整车前向仿真模型对设计结果进行验证，图9为最高车速仿真曲线，最高车速为121.5km/h，图10为加速性能仿真曲线，0～80km/h加速时间为11s，图11为坡度为28.5%时的爬坡性能仿真曲线，载货汽车可以在28.5%的坡度上以28.8km/h的速度行驶，符合设计要求。

本发明的实施例不限于在此描述的实施例。在本发明的范围内的各种其他实施例是可行的。

Claims (1)

1.一种三电机混合驱动载货汽车，该混合驱动载货汽车包括第一驱动电机（1）、第一输入轴（2）、第一减速器（3）、第一输出轴（4）、汽车前桥（5）、第二输入轴（6）、第二驱动电机（7）、第一动力电池（8）、第二动力电池（9）、第三驱动电机（10）、第三输入轴（11）、汽车后桥（12）、第二输出轴（13）、第二减速器（14）、第三动力电池（15）、控制器（16）和第四动力电池（17）；其特征在于：所述第一驱动电机（1）通过第一输入轴（2）连接第一减速器（3），第一减速器（3）的第一输出轴（4）与汽车前桥（5）相连，第一驱动电机（1）主要用来满足载货汽车空载、常见循环工况下功率需求；所述第二驱动电机（7）通过第二输入轴（6）连接第一减速器（3），第二驱动电机（7）辅助第一驱动电机（1）满足载货汽车满载、常见循环工况下功率需求；所述第三驱动电机（10）通过第三输入轴（11）与第二减速器（14）相连，第二减速器（14）的第二输出轴（13）与汽车后桥（12）相连，所述第三驱动电机（10）与第二驱动电机（7）共同辅助第一驱动电机（1）满足载货汽车满载、高速巡航工况下功率需求；所述第一驱动电机（1）、第二驱动电机（7）和第三驱动电机（10）分别与控制器（16）连接、同时第一驱动电机（1）、第二驱动电机（7）和第三驱动电机（10）在减速与制动状态下协同进行制动能量回收；

所述控制器（16）用于驾驶员意图识别、能量管理、驱动/制动控制、状态监测与容错控制；

所述控制器（16）与第一动力电池（8）、第二动力电池（9）、第三动力电池（15）、和第四动力电池（17）连接；

上述三电机混合驱动载货汽车动力系统匹配方法包括以下步骤：

、用Matlab/simulink搭建整车后向仿真模型和整车前向仿真模型，整车后向仿真模型包括循环工况模型、汽车模型、车轮模型、减速器模型、电机模型；整车前向仿真模型包括第一驱动电机模型、第二驱动电机模型、第三驱动电机模型、第一减速器模型、第二减速器模型、车轮模型、汽车模型；

、根据整车性能指标，利用整车后向仿真模型计算载货汽车CYC_UDDS工况下的动力系统功率需求、最高车速下的动力系统功率需求，对第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机进行功率分配；

1）、用整车空载在CYC_UDDS循环工况下的动力系统功率需求设计第一驱动电机峰值功率和额定功率，第一驱动电机峰值功率满足整车空载在CYC_UDDS循环工况下的动力系统峰值功率需求，第一驱动电机额定功率满足整车空载在CYC_UDDS循环工况下90%以上时间段的动力系统功率需求，第一驱动电机额定功率、峰值功率满足以下关系：

(1)

(2)

(3)

式中，为第一驱动电机额定功率，为整车空载在CYC_UDDS循环工况下动力系统额定功率需求，满足整车空载在CYC_UDDS循环工况下90%以上时间段的动力系统功率需求，为第一驱动电机峰值功率，为整车空载在CYC_UDDS循环工况下动力系统峰值功率需求，为第一驱动电机过载系数；

2）、用整车满载在CYC_UDDS循环工况下的动力系统功率需求确定第二驱动电机峰值功率和额定功率，即第二驱动电机峰值功率与第一驱动电机峰值功率之和满足整车满载在CYC_UDDS循环工况下的动力系统峰值功率需求，第二驱动电机额定功率与第一驱动电机额定功率之和满足整车满载在CYC_UDDS循环工况下90%以上时间段的动力系统功率需求，第二驱动电机额定功率、峰值功率满足以下关系：

(4)

(5)

(6)

式中，为第二驱动电机额定功率，为整车满载在CYC_UDDS循环工况下动力系统额定功率需求，满足整车满载在CYC_UDDS循环工况下90%以上时间段的动力系统功率需求，为第二驱动电机峰值功率，为整车满载在CYC_UDDS循环工况下动力系统峰值功率需求，为第二驱动电机过载系数；

3）、用整车满载最高车速工况下动力系统功率需求确定第三驱动电机功率，即第三驱动电机额定功率、第二驱动电机额定功率与第一驱动电机额定功率之和满足最高车速满载工况下动力系统额定功率需求，第三驱动电机额定功率、峰值功率满足以下关系：

(7)

(8)

式中，为第三驱动电机额定功率，为整车满载最高车速下的动力系统功率需求，为电机过载系数；

、根据驱动电机额定输出功率、过载系数和工作工况，初步选定驱动电机型号，并根据驱动电机效率和持续工作转矩图、过载系数、整车参数及性能指标对传动系进行设计，本发明三电机混合驱动载货汽车采用一级减速器结构设计，第一减速器传动比最大值、第二减速器传动比最大值满足最高车速要求，第一减速器传动比最小值、第二减速器传动比最小值满足加速和爬坡性能要求，同时第一减速器传动比使第一驱动电机、第二驱动电机额定转速落在常规车速附近，第二减速器传动比使第三驱动电机额定转速落在CYC_UDDS循环工况最高车速附近；

、利用整车前向仿真模型对整车最高车速、加速性能、爬坡性能进行验证。