关于集成飞轮电动驱动系统中的脉动抑制与功率参数匹配方法的研究

《Energy》：Research on the Pulsation Suppression and Power Parameter Matching Method for Integrated Flywheel Electric Drive Systems

　　郭宇轩|张宏新|关启强|刘本友|孙彬彬|林燕红
中国青岛市266071，青岛大学机电工程学院

摘要：为解决新能源商用车中扭矩波动和瞬态功率波动的问题，本研究提出了一种集成式飞轮电动驱动系统。该系统采用统一的匹配控制方法，将六种工作模式、飞轮参数设计、主驱动电机与控制电机的匹配以及基于二次规划的扭矩分配整合到一个协同框架中。首先，根据典型驾驶循环的统计数据确定飞轮的转动惯量，随后依次匹配主驱动电机和控制电机的参数。接着，将电机损耗曲线纳入优化目标函数。在CHTC循环下的联合仿真结果表明，优化后的配置下飞轮转动惯量为0.13 kg·m2，主驱动电机的峰值扭矩为224 N·m，控制电机的峰值扭矩为75 N·m。与未采用飞轮的系统相比，该方法使主驱动电机的峰值扭矩从277 N·m降至224 N·m，扭矩标准差从42.94降低到36.33，同时将速度跟踪误差控制在±2 km/h范围内，从而提升了扭矩稳定性及整体能源利用效率。

引言：商用车作为高频、重载的运输工具，其碳排放量已超过乘用车。实现商用车电气化是应对日益严格的排放和燃油消耗法规的最有效措施之一。目前，新能源商用车的电气化趋势尤为明显，2024年的渗透率已超过10%。这类车辆的动力系统效率和经济性一直是研究重点[1]。然而，由于运行条件复杂且负荷变化较大，动力系统在加速、减速以及频繁启停过程中容易出现负荷扭矩波动、能效较低等问题。这些问题虽能维持动力平衡，但会影响车辆的行驶平顺性、经济性以及关键部件的使用寿命[2]。电动驱动系统越来越注重高集成度、高效率、高可靠性以及高功率密度，旨在提升能量响应速度、结构紧凑性以及智能能源管理水平[3]。具有独特工作原理的集成式飞轮电动驱动系统有望有效解决上述问题并满足这些需求。飞轮电动驱动系统具有功率密度高、充放电速度快、使用寿命长等优点[4]，能够有效存储和释放能量，提升车辆的动力性能和能源利用效率。它尤其适用于需要高频能量缓冲和负荷脉动过滤的场景，在车辆动力调节和能量回收方面具有巨大潜力。应用于新能源商用车时，飞轮可作为辅助储能单元，吸收瞬态负荷波动，减轻对动力系统的冲击，并高效回收制动能量[5]。正如郑等学者所指出的，通过合理运用算法策略，可以提高飞轮储能系统的制动能量回收效率以及电池的平均使用寿命[6]，但目前尚未考虑电机在系统中的调节与协同作用。杨等人提出了一种结合模糊控制与粒子群优化的综合优化方法，使飞轮能够实现动态、实时的能量存储与释放，从而提升燃油经济性[7]，但该方法主要侧重于飞轮各单个组件的作用，未涉及整个系统的运行逻辑。洪等人建立了新的飞轮混合模型，分析了不同运行条件下行星齿轮组的耦合行为，并验证了其在提升燃油经济性方面的潜力[8]，但在电池研究方面存在不足。Elnaghy等人则在飞轮驱动系统中引入了模型预测控制与模糊控制相结合的策略，以解决能量分配不均的问题[9]，但其仅限于验证电网储能方面的问题。

为明确本研究在现有文献中的定位，我们在表1中总结了相关代表性研究的主要优点及存在的局限性。根据不同的能量传递方式，车辆飞轮辅助动力系统可分为储能型、机械型和机电型三种[10]。储能型将飞轮与电机结合，仅以电能形式进行能量交换，主要用于电能储存[11]。机械型则通过离合器和变矩器将飞轮与外部电源连接，完全以机械能形式进行能量交换[12]。机电型飞轮系统则包含控制电机，能够与外部系统进行机械能或电能的交换[13]。由于机电型飞轮系统易于与主驱动电机集成，并直接连接到驱动轴的主减速器上，因此本文所研究的系统属于机电型飞轮系统。目前的 research主要聚焦于控制层面或组件层面的优化，而针对新能源商用车集成式飞轮电动驱动系统的传动参数匹配研究，旨在抑制负荷脉动，尚处于起步阶段。飞轮参数的确定对于匹配整个系统的传动参数至关重要，但目前仍缺乏对飞轮在匹配过程中作用的重视，也未能系统阐述飞轮在整个驱动系统中的作用机制。

确定机电型飞轮转动惯量有三种常见方法。制动能量回收法是根据多个典型驾驶循环中的制动能耗来计算飞轮的储能能力，进而确定转动惯量[14]。同工况平均功率法则是根据工况所需的平均功率来确定参数，电池负责提供稳定的电力，飞轮则用于调节工况中的瞬时功率变化，起到系统滤波的作用。100公里加速能量法则是根据车辆从0 km/h加速到100 km/h所需的能量来估算飞轮的储能能力，用此方法计算的飞轮储能几乎可以满足所有车辆加速工况的能量需求[15]。而通过车辆平均功率法计算得到的飞轮质量和高度，几乎是制动能量回收法计算结果的两倍；通过100公里加速能量法计算得到的飞轮高度则大约是其四倍，质量则约为制动能量回收法计算结果的五倍。这些差异会对车辆的总体质量和空间布局产生不利影响。

在设计电动飞轮系统的配置时，应将飞轮参数的选择以及主驱动电机与控制电机之间的参数匹配视为一个整体过程，而非分开处理[16]。首先应根据飞轮的功能以及车辆的典型运行条件确定飞轮的关键参数，如转动惯量和最大输出扭矩，然后再依次匹配控制电机和主驱动电机的参数，同时需考虑动力系统结构及车辆的性能要求。整个匹配和优化过程应以数理统计理论作为理论基础。如果反其道而行之，先根据车辆性能或运行条件确定电机参数，再调整飞轮参数，那就违背了飞轮配置的根本目的。

本文提出了一种用于商用车的集成式飞轮电动驱动系统，该系统同时解决了动力管理的多个方面问题，包括飞轮尺寸设计、电机参数匹配以及扭矩分配。本研究的新颖之处在于构建了一个统一框架，将六种工作模式与相应的优化策略相结合，从而能够在各种驾驶条件下实现实时性能提升。这与传统上孤立处理每个组件或仅关注制动能量回收的方法有所不同。具体而言，本文做出了以下四项贡献和改进措施：●创新的控制策略架构：该车辆动力系统集成了双行星齿轮组、飞轮以及控制电机，支持多种工作模式和电源配置，且具有灵活的空间布局。●飞轮与电机协同工作：将主驱动电机、控制电机、飞轮单元以及能量管理控制器集成在一起，开展协同实验。●基于模式的控制：本文阐述了六种不同工作模式的控制逻辑和切换策略，并分析了它们在典型工作条件下的动态耦合行为。●新颖的能源管理策略：本研究旨在通过最小化波动来实现稳定供电，它采用了二次规划的概念，将飞轮及双电机的参数作为约束条件，同时将电机损耗纳入目标函数中，以此优化能源效率。

本文的其余结构如下：第2节介绍集成式飞轮电动驱动系统的结构原理及车辆运行模式；第3节详细阐述基于二次规划的飞轮、传动比和电机参数匹配方法，以及整体的脉动抑制控制框架；第4节描述在所选驾驶条件下，使用所提出的能源管理策略进行模型测试平台的测试结果；最后，第5节总结主要结论并指出未来的研究方向。

章节节选：
集成式飞轮电动驱动系统：结构原理与运行模式
本节从两个角度介绍集成式飞轮电动驱动系统。首先阐述系统的结构原理和拓扑结构，明确飞轮、电机以及行星齿轮组之间的耦合关系，然后分析六种基本运行模式，解释不同车辆状态下的能量流动特性及协同运行逻辑。

参数匹配与优化框架
本节介绍集成式飞轮电动驱动系统的参数匹配流程。基于脉动抑制目标和典型驾驶循环特征，依次确定飞轮参数、传动参数和电机参数，从而使整个系统既能满足动态性能要求，又能实现能源效率目标。

车辆仿真与测试
本节描述仿真平台、实验台架的搭建情况以及所提出的车辆运行能量管理策略。在此基础上，通过仿真和试验分析，评估所开发的匹配方法和控制策略在所选驾驶条件下的有效性。

结论
本文研究了新能源商用车的集成式飞轮电动驱动系统，提出了一种以抑制脉动为目标的功率参数匹配和能源管理策略。分析了该系统的结构特点以及六种工作模式的特性，进而构建了一个协同控制框架，以实现主驱动电机、控制电机之间的扭矩分配和能量调控。

作者贡献声明
孙彬彬：资金获取；刘本友：资金获取；林燕红：软件开发；郭宇轩：初稿撰写、软件开发、概念设计；关启强：审稿与编辑；张宏新：审稿与编辑

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文工作的已知利益冲突或个人关系。

利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文工作的已知利益冲突或个人关系。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52475269）和山东省自然科学基金（编号：ZR2024ME179）的支持。