轮式驱动电动汽车驱动系统仿真

宋 鹏，薄纯娟，徐国凯，张 涛

(大连民族学院机电信息工程学院，辽宁大连116605)

日益严重的环境问题和能源危机使百年交通工具——汽车面临着越来越严峻的考验。电动汽车以电力为主要动力，它可以实现零排放或极低排放，在行驶过程中没有污染，热辐射低，噪音小，因而受到广泛的欢迎。目前，大部分电动汽车的研发主要是对传统燃油汽车进行动力改造，基于一个动力电动机，通过减速器和差速器驱动两个(或四个)驱动轮［1-2］。相比传统电动汽车而言，轮式驱动电动汽车具有车身结构简单、车身重量轻、传动效率高的优点，而且可以分别控制每个驱动轮的运行参数，如转速、转矩等，轮式驱动电动汽车由于其运动控制、结构布置等方面的优势，成为电动汽车研究热点。

1 轮式驱动电动汽车驱动系统

轮式驱动电动汽车驱动系统是一个全新的驱动系统，由电动机直接驱动车轮，省掉了离合器、变速器及传动轴等传动环节，消除了传动中的机械磨损与损耗，提高了传动效率，相比之下具有较小的体积和较轻的重量，同时故障率降低，且在提高效率的同时，车轮空间也能得到有效利用［3］。轮式驱动电动汽车驱动系统结构图如图1。系统取消了差速器和半轴，将行星减速器与电动机制造为一体，称为电动轮，轮胎直接安装在电动轮上。电机控制器接收速度给定(踏板)、制动(踏板)、PDRN(停车、倒车、空档、前进)信号控制电机旋转，驱动车轮运动。

图1 驱动系统结构图

2 数学模型的建立

2.1 电机数学模型的建立

本文选用直流电机作为电动汽车驱动电机，对于直流电机的建模可以由电机的简易电路图建立数学方程，假设电机的主电路电流连续，并且磁通量恒定，则可得到如下方程:

式中，R表示电枢回路的电阻，L表示电感，U表示电机两端电压，I表示电机回路电流，E表示感应电动势，n表示转速，TL表示负载转矩，Cm表示转矩电流，GD2表示飞轮力矩。

2.2 轮胎数学模型的建立

轮胎受力如图2，轮胎力学模型目前仍处于不很精确的状态，本文采用统一半经验指数轮胎模型，其方程式如下［4-5］:

式中，a2表示轮胎侧偏角;δ表示转向角，值为零时表示非转向轮;Ux表示车轮中心的纵向速度;Uy表示车轮中心的侧向速度;Vx表示车轮中心的前进速度;Vy表示车轮中心的侧向滑移速度;Vs表示相对滑移速度;μ0表示静摩擦系数取0.8;V0表示速度常数;Sx表示滑转率;Sy表示相对滑转率;Kx表示初始相对纵滑刚度;Ky表示相对侧滑刚度;Ey表示轮胎力特性参数。

图2 轮胎受力坐标系

3 建模与仿真

根据上述建模分析，基于MATLAB软件建立电机仿真模型如图3，建立轮胎仿真模型如图4，电机各参数取值见表1。

在轮胎模型中给转向角加入阶跃信号，得到纵向力曲线和侧向力曲线如图5、6所示，由图中可以看出纵向力曲线逐步增大，最后趋于稳定，侧向力曲线由于轮胎的侧偏特性出现小幅度振荡，随后也趋于稳定。符合车辆从启动到稳定行驶后轮胎受力值趋于稳定的实际情况。

表1 电机参数取值

图3 电机模型

图4 轮胎模型

图5 纵向力曲线

图6 侧向力曲线

在电机模型中给定一个阶跃输入得到转矩曲线如图7，从图中可以看出转矩能够迅速稳定，符合电动汽车转矩的理想输出，驱动系统具有较好的动态响应。

图7 电机转矩曲线

4 结 语

本文以轮式驱动电动汽车为研究对象，重点研究轮式驱动电动汽车的驱动系统，分析了电机和轮胎的数学模型，使用MATLAB软件进行动态仿真，根据仿真曲线，可以看出直流电机转矩输出符合汽车驱动系统的理想输出，轮胎模型的输出满足电动汽车运行要求。

［1］RICCARDO M，STEFANO S.Asymptotic sideslip angle and yaw rate decoupling control in four-wheel steering Vehicles［J］.Vehicle System Dynamics，2008(9):999-1009.

［2］OSSAMA M，MASATO A.How the Four Wheels Should Share Forces in an Optimum Cooperative Chass is Control［J］.Control Engineering Practice，2006(14):295-304.

［3］章昊秋.轮式驱动电动汽车驱动系统的研究［D］.杭州:浙江大学，2007.

［4］来飞，黄超群.汽车操纵稳定性仿真用轮胎模型的研究［J］.机械，2014，41(2):13-15.

［5］田顺，何海浪，赵建宁，等.车辆轮胎动力学仿真模型分析［J］.汽车实用技术，2014(6):47-50.