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具有双速传动的四轮驱动纯电动车总布置
De Pinto S.(1， 2)，Camocardi P.(1)，Sorniotti A.(1)， Mantriota G.(2)，Perlo P.(3)，Viotto F.(4)
(1)Department of Mechanical Engineering Sciences. University of Surrey. Guildford, United Kingdom.
(2)Dipartimento di Meccanica， Matematica e Management. Politecnico di Bari. Bari,Italy.
(3)Interactive Fully Electrical Vehicles (IFEVS). Torino e-District. Torino, Italy.
(4)EV amp; HEV Transmissions – Automotive Applications. Oerlikon Graziano SpA. Torino, Italy.
摘要：为了提高车辆的加速和爬坡性能，本文提出了一种新型的纯电动汽车总布置方案，由两个传动系统组成，每个传动系统都有一个双速变速箱。采用两个双速变速箱允许八种不同的齿轮状态组合，增加了为每一种工况选择高效率状态的可能性。设计了一种转矩补偿控制器，通过改变另一轴上的转矩来补偿换挡时的力矩间隙。最后，通过与另一种纯电动汽车结构的比较，对该总布置的加速、爬坡和换挡性能进行了仿真分析。
关键词：双速变速器；四轮驱动；纯电动车；无缝换挡；转矩补偿
一、符号表
a：纵向加速度
i：变速器齿轮传动比
J：转动惯量
K：扭转刚度
S：拉普拉斯算子
T：转矩
t：时间
x：齿轮箱传动装置位置
y：无量纲因子，用于计算换挡时的基准电机转速
beta;：扭转阻尼系数
eta;：效率
：角位置，角速度，角加速度
tau;：时间常数
下面列出了文中所用的下标：
act：齿轮箱传动装置
d：延迟
des：理论值
diff：差速器
EM：电机
EMS：能量管理系统
eq：等效
f，r，L，R：前，后，左，右
gb，g1，g2，dis：齿轮箱，齿轮1，齿轮2，未啮合齿轮
HS：半轴
In，fin，IP：初值，终值，惯性阶段
PS，SS：主轴，副轴
ref：参考值
sel：所选传动比（第一对，第二对，空挡）
TF：采用转矩补偿
w：车轮
wamp;f：偏差和摩擦
二、介绍
随着不可再生能源价格的不断上涨和对高效节能汽车的需求日益增大，混合动力汽车(HEVs)和纯电动汽车(FEVs)正逐渐成为移动领域可行的解决方案。电动机(EMs)通常在低速状态下可获得最大转矩的工作区域。在较高的速度下，电机的运行被限制在一个恒定的功率区域内，有时会出现功率随速度下降的区域[1-4]。由于其在布置和安装上的灵活性，以及与内燃机（ICEs）相比所需辅助系统的数量减少，电机适用于不同动力系统结构的安装[5-6]。
混合动力动力系统是内燃机和一个或多个电动机的组合。电动机可以直接集成到传动系统中而不需要进行大的修改，也可以通过动力分离装置(如行星齿轮组)耦合到内燃机上[7-9]。与混合动力汽车类似，纯电动汽车可以根据多种布置进行开发。最常见的解决方案是采用单速变速箱和差速器的中央电机，以降低制造成本和重量。虽然现有的纯电动车通常采用单速变速箱，但这种结构限制了它们的性能，尤其是在速度范围有限的电动机驱动的情况下。事实上，单齿轮传动比的选择必须在爬坡性(要求高的齿轮传动比)和最高车速(要求低的齿轮传动比)之间进行权衡。在双速电动传动系统中，选择第一传动比是为了提供所需的纵向加速度和爬坡性能，而第二传动比可以设计为提供指定的最高速度。此外，由于电动传动系统的效率是转矩和速度的函数，双速传动系统在选择电动传动系统的工作区域时更灵活，从而带来潜在的节能效益。一般情况下，电动机的最大效率区域在中等的转矩和转速时。然而，对于电动传动系统效率的变化和多速电动传动系统的能耗效益，文献中仍然缺乏详细的、经实验验证的分析。
[10-12]认为双速传动系统是提高纯电动车性能和效率的最合适方案。[13]提出了一种由电动机和行星齿轮组组成的双速变速器。[14]描述了一种将行星齿轮组和双离合器组合在一起的双速变速器，用于将输出轴与太阳齿轮或行星架连接。[15-17]从安全性和使用性能的角度，对双电机、前后轴各1台的纯电动汽车与其他纯电动车布置进行了对比研究。根据[15]和[16]，单速四轮驱动(4WD)配置两台电机(每轴一台)具有多种优势，如： i)即使两个电机中的一个发生故障，仍有故障保险功能；ii)根据不同工况分配驱动力矩和制动力矩。
图一 双速四轮驱动纯电动车的动力传动系统总布置
电机
后轴
离合器
一档齿轮
差速器
二档齿轮
前轴
第三部分提出了一种新颖灵活的纯电动汽车的总布置。这种布置方案如图1所示，由两个驱动系统组成，前后轴各一个，两轴都有一个两速传动系统。基于第四部分中的仿真模型，第五部分设计并讨论了在加减挡过程中起特定作用的力矩补偿控制器。最后，在第六部分提出了加速、爬坡和换挡能力的仿真分析，还包括与更传统的动力传动系统布置的比较。
三、两速四轮驱动汽车配置
该案例研究车辆是一辆城市客车，总质量为870公斤，在欧洲联盟FP7 Project PLUS-MOBY中以实物原型的形式实现。在本文的具体实现中，每根车轴由一台14kw峰值功率永磁(PM)电机供电。纯电动车的布置包括两个独立的传动系统，每个轴上都有一个新设计的双速传动系统。它曾由VOCIS和Oerlikon Graziano在2012年提出过。该设计简化了原来的两轮驱动(2WD)车辆[12]的两速传动系统，去除了摩擦和斜撑离合器的使用。变速箱可以在没有离合器和同步器驱动的情况下进行，因为同步是通过电机驱动实现的。
如表1所示，这种布置允许总共8种齿轮状态。对于给定的车辆速度和车轮转矩需求，这增加了有效传动系统条件的可用性(参见表中的区域和图2)。此外，由于两个同步主动牵引轴的存在，即使没有任何特定的控制器，也可以减少换挡过程中的转矩间隙(如果一次只对一个变速箱起作用)，从而提高舒适性。图2给出了理论车轮转矩特性随车速变化的函数，通过传动比换算将前后峰值电机转矩传递到车轮上。在此初步计算中忽略了传输效率和惯性效应。图2还显示了在0%路面坡度下保持恒定速度所需的车轮转矩。有趣的是，车辆的最高速度是由电机速度而不是电机功率限制的。
表一 可用的齿轮结合状态
|
序号 |
前变速器 |
后变速器 |
区域 |
|
1 |
第一对齿轮 |
第一对齿轮 |
Ⅰ到Ⅵ |
|
2 |
第一对齿轮 |
第二对齿轮 |
Ⅱ到Ⅵ |
|
3 |
第二对齿轮 |
第一对齿轮 |
Ⅱ到Ⅵ |
|
4 |
第二对齿轮 |
第二对齿轮 |
Ⅳ到Ⅷ |
|
5 |
空挡 |
第一对齿轮 |
Ⅲ到Ⅴ |
|
6 |
空挡 |
第二对齿轮 |
Ⅴ和Ⅶ |
|
7 |
第一对齿轮 |
空挡 |
Ⅲ到Ⅴ |
|
8 |
第二对齿轮 |
空挡 |
Ⅴ和Ⅶ |
提出的车辆总布置允许通过特定的控制功能在换挡期间进一步减少扭矩间隙。当变速器正在换挡，同时在各自的轴上产生转矩间隙时，另一个传动系通过增加转矩需求来补偿转矩间隙。这种操作通过一个非常简单的传动结构，在大多数操作条件下都能实现无缝换挡。然而，当电机已经接近其最大峰值功率时，系统将只提供部分转矩补偿。
转矩 [Nm]
车速 [km/h]
图二 八种齿轮状态下的理论汽车转矩特性图
四、电动汽车动力学模型
前后变速箱可以与以下两种方式工作：i)一个主轴上的啮合齿轮(在前或后变速箱上)和另一个主轴上没有啮合齿轮；或ii)两个啮合齿轮，每个主轴一个。由于传动系统(包括变速箱和差速器)的间隙和内部扭转变形是二次近似效应，因此在后续的建模和换档控制分析中忽略了它们。为了评估车辆性能和换挡杆质量，两种变速箱均与车辆纵向动力学仿真模型耦合(图3)。如果一对齿轮啮合，在考虑从电动机到差速器的等效惯量的情况下，建立了传动系统的一阶动力学模型。这种惯性通过半轴与车轮惯性相连接，模型为扭转弹簧和阻尼器。通过具有松弛长度的Pacejka魔法公式模型对轮胎进行了仿真[18]。
前离合器
后左轮
后右轮
前右轮
前左轮
前差速器
后差速器
后主轴
后副轴
前副轴
前主轴
行驶方向
汽
车
模
型
后离合器
后电机
前电机
图三 双速四驱纯电动车总布置模型
变速箱可以在三种情况下工作，每一种情况由不同的方程控制：A、第一对齿轮啮合：在这种情况下，主轴和副轴按第一齿轮比旋转;B、第二对齿轮啮合:犬牙式离合器啮合时，主、副轴的传动比为第二齿轮比;C、未啮合齿轮:在这种情况下，传动系具有两个自由度，因为电动马达的动力性与传动输出轴的动力性是解耦的。
由于后驱动系统模型与前驱动系统模型相同，本文仅对前轴进行了方程的推导。
A.第一对齿轮啮合
包括电机在内的一级传动系扭矩平衡为：
为简便起见，本文忽略了机械差速器的内部动力学。是通过传递函数从电机转矩需求开始计算。公式中的效率包括第一对齿轮和差速器的损失，可以根据通过联轴器的功率流的方向逆转。传动效率可以查表(由传动系统制造商提供)表示，作为输入扭矩、速度和操作温度的函数。传动系统的等效惯性矩考虑了半轴、差速器、电机、主轴和副轴以及第一对和第二对齿轮的作用。在第一对齿轮是：
B.第二对齿轮啮合
在这种情况下，除了传动比的取值外，系统动力学方程类似(1)，传动系的等效惯性矩为:
C.未啮合齿轮
在这种情况下，主轴和副轴是解耦的。该系统具有两个自由度的特点:i）第一个是电动机的旋转部件和与主轴刚性连接的传动系统部件;ii)二是传动部件与差速器一起旋转。在公式为：
其中：
PM电机驱动的效率，包括绕组和摩擦损耗以及逆变器的效率，通过查表（电机制造商提供）与电机转矩、转速和工作温度的函数来表示。
犬牙式离合器位于第一和第二对齿轮之间的轴向位置是通过电动液压机构控制的。该机构的位置是通过纯时滞，，和带时间常数一阶传递函数来模拟的：
五、齿轮变速控制与转矩补偿
本节描述了换档操作。在换挡过程中，变速箱控制单元(TCU)修改由能量管理系统(EMS)提供的电机扭矩需求。EMS前轮转矩对总转矩的需求分配设置为50%。图4为换档图，表明发动机转矩需求和换挡开始时的车辆速度的关系。为了避免明显的车轮打滑，设计了一种牵引力控制器。
升档
降档
升档
降档
后转矩 [-]
前转矩 [-]
车速 [km/h]
车速 [km/h]
图
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