四輪獨立驅(qū)動無人車的動力性參數(shù)設(shè)計仿真

魏代強，戰(zhàn)仁軍，劉翰諾

（武警工程大學裝備工程學院，西安 710086）

四輪獨立驅(qū)動無人車的動力性參數(shù)設(shè)計仿真

魏代強，戰(zhàn)仁軍，劉翰諾

（武警工程大學裝備工程學院，西安 710086）

四輪獨立驅(qū)動無人車的輪轂電機功率、蓄電池容量與組數(shù)以及無人車續(xù)駛里程等參數(shù)的匹配設(shè)計是無人車研制過程中整體設(shè)計的一個難點和重點，需要通過無人車運動學和動力學分析進行確定，既要滿足可行性又要具有很好的可靠性。根據(jù)實際需要和動力性設(shè)計要求，在對無人車進行運動和動力學分析的基礎(chǔ)上，通過理論計算得到動力性參數(shù)，然后通過ADVISOR軟件建立四輪獨立驅(qū)動整車仿真模型，對其動力性進行仿真。通過仿真，其最高車速、爬坡性能、加速性能以及行駛里程在不同的工況下得到仿真結(jié)果與理論設(shè)計的參數(shù)相吻合，驗證了參數(shù)設(shè)計的合理性，為下一步無人車樣機的制作以及進行整車運動控制研究具有重要實際意義。

無人車，動力性，ADVISOR仿真

0 引言

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，以計算機技術(shù)、圖像處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和芯片控制技術(shù)等為基礎(chǔ)的無人車發(fā)展研究逐漸受到各國的重視。在民用方面，具有自主導航能力的無人車由于其先進的處理器相比人腦反應(yīng)更快，因此，相比有人駕駛更加智能和安全，并且不會產(chǎn)生疲勞。在軍用方面，無人車可代替士兵執(zhí)行的任務(wù)包括偵察、排雷、監(jiān)視等，能夠減少人員傷亡和提高戰(zhàn)斗效率。同時這些自主移動無人車非常靈活，可以穿越復(fù)雜地形，部分型號的車輛可以裝備機槍等攻擊性武器，極大地提高了部隊的戰(zhàn)斗力［1］。

目前大部分無人車的動力由動力電池提供。因為我國的一些電池和電機等技術(shù)還有待進一步提高，目前電動汽車還都處在一定的研發(fā)初級階段。因此，如何更好地匹配和優(yōu)化電動汽車各個動力部件參數(shù)，對提高電動汽車動力性、增加其續(xù)駛里程具有重要意義［2］。本文以正在研究的無人車為背景，對其動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)進行合理選擇和匹配計算，由于ADVISOR軟件中沒有相應(yīng)的純電動四輪獨立驅(qū)動的汽車仿真模型，因此，本文在已有的純電動車模型的基礎(chǔ)上新建四輪獨立驅(qū)動的電機、車輪和鉛蓄電池等動力部件的仿真模型及整車模型，對整車的動力性進行了仿真分析。

1 無人車的動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計

無人車動力性系統(tǒng)參數(shù)匹配主要是指對電動機的功率的設(shè)計、傳動系參數(shù)的設(shè)計和動力電池的設(shè)計等。由于本文研究的無人車采用輪轂電機，直接驅(qū)動車輪，沒有傳動結(jié)構(gòu)，因此，在此不作傳動系參數(shù)的設(shè)計。

1.1 整車基本參數(shù)設(shè)計

無人車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過圖1，可以看出整車的動力由動力蓄電池提供，通過逆變器給輪轂電機供電，電機在控制器的控制下提供動力。電池的容量和電壓，輪轂電機的功率的大小是設(shè)計的重點。根據(jù)實際需要和動力性的設(shè)計要求，整車的結(jié)構(gòu)參數(shù)和動力性參數(shù)如表1所示。

表1 整車的結(jié)構(gòu)參數(shù)和動力性指標

1.2 輪轂電機參數(shù)設(shè)計

無人車采用的驅(qū)動方式是四輪獨立驅(qū)動，選用輪轂電機作為驅(qū)動電機。驅(qū)動電機的功率對無人車的加速性能、爬坡性能和最高車速有至關(guān)重要的影響。其值應(yīng)不低于無人車以最高車速行駛的功率，也要能滿足汽車以某車速爬坡的功率，還要滿足汽車加速行駛的功率需求。通過對輪轂電機和無人車的運動建模和動力學分析，無人車的牽引力由輪轂電機提供，主要克服地面摩擦力和空氣阻力，因此，無人車的行駛方程式［3］為：

式中，Ttq為電機轉(zhuǎn)矩；ηt為傳動系統(tǒng)效率；r為車輪半徑；M為無人車整備質(zhì)量（Kg）；g為重力加速度（m/s2）；o為爬坡度（°）；f為滾阻系數(shù)；CD為空阻系數(shù)；A為迎風面積（m2）；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；t為加速時間（s）；igi為變速箱速比，io為主減速比（因為無人車采用的是輪轂電機，因此，令igi=io=1）。

1.2.1 輪轂電機的轉(zhuǎn)矩

輪轂電機的最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)該滿足電動汽車所設(shè)計的最大爬坡度，根據(jù)式（1）可知:

其中，α取最大爬坡度20%，爬坡速度V取8 km/h。求解公式得到輪轂電機的最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)是855.33 N·m，無人車采用四輪驅(qū)動，因此，每個輪轂電機的最大轉(zhuǎn)矩為213.83 N·m，取過載系數(shù)為2.5，則每個輪轂電機的額定轉(zhuǎn)矩為85.53 N·m。

1.2.2 輪轂電機的轉(zhuǎn)速

輪轂電機的最大轉(zhuǎn)速應(yīng)該對應(yīng)著汽車行駛時的最大車速：

其中，np為最大轉(zhuǎn)速，Vmax為設(shè)計的最大行駛的速度?？梢缘玫捷嗇炿姍C的最大轉(zhuǎn)速為860 r/min。

1.2.3 輪轂電機的功率

（1）最高時速時的功率選擇

無人車在水平路面上進行行駛時，根據(jù)汽車的行駛平衡方程，無人車以最高車速行駛的功率為

式中，Pmaxs最高車速對應(yīng)的輪轂電機功率（kw）；Vmax無人車的最高車速（km/h）；通過計算：Pmaxs=10.28。

（2）最大爬坡度時的功率選擇

無人車在爬坡或下坡時，通過對車輛受力分析可知，車輛受到滾動阻力、空氣阻力和爬坡阻力的作用，若最大坡度為α時，無人車行駛的功率為：

式中，Pmaxg最大坡度時對應(yīng)的輪轂電機功率（kw）；Vo爬坡時汽車的行駛速度（km/h）；α最大坡度（%）；通過計算得到，Pmaxs=6.89。

（3）根據(jù)加速時間的功率選擇

無人車在水平路面上由靜止的狀態(tài)下加速到速度V時，受到滾動阻力和空氣阻力的作用，則無人車達到一定速度的加速時的功率為：

式中，Pacct加速階段對應(yīng)的輪轂電機功率（kw）；V無人車的加速末速度（km/h）；t加速時間（s）；通過計算得到，Pacct=13.16。

（4）輪轂電機功率的確定

以上功率是在無人車進行最高車速、最大爬坡度、加速時間的3種情況下得到的，取其中最大值作為額定功率，同時為避免出現(xiàn)超載現(xiàn)象而導致電機的損壞，最后計算應(yīng)乘以過載系數(shù)λ，輪轂電機峰值功率為：

式中，Pmm為輪轂電機的峰值功率；λ為過載系數(shù)；Pe為額定功率。

通過以上計算確定輪轂電機額定功率為14 kw，峰值功率為20 kw。由于是四輪驅(qū)動，因此，每個輪轂電機的功率為3.5 kw。

1.3 蓄電池的參數(shù)設(shè)計

動力電池組是由單體電池串聯(lián)組成的一個整體，單體電池的數(shù)量決定電池組的輸出電壓和輸出功率。電池組容量的選擇需要滿足純電動汽車的空間結(jié)構(gòu)和行駛里程的要求。

1.3.1 電池組單體電池數(shù)量的選擇

電池組的輸出電壓要能滿足電動機的工作電壓，由此確定單體電池數(shù)量為:

其中：Nb為單體電池的數(shù)量;Um_min為電動機的最小工作電壓（V）；Ub_min為單體電池的最小輸出電壓（V）；根據(jù)計算得到：Nb=6。

1.3.2 電池組容量的選擇

電池組的容量會影響純電動汽車的整車質(zhì)量，與行駛里程更是相互制約，電池組容量的選擇要能保證純電動汽車的動力性和行駛里程。

行駛里程和平均行駛速度計算：

其中：C電池組容量（A·h）；Pave平均輸出功率（kW）；L純電動汽車行駛里程（Km）；Vave車輛平均行駛速度（Km/h）；Uer電動機額定電壓（V）；根據(jù)計算得到：

通過計算，達到無人車行駛要求的動力性的參數(shù)表設(shè)計為表2所示：

表2 動力性參數(shù)設(shè)計值

2 動力性能仿真

利用汽車仿真軟件ADVISOR進行無人車的動力性仿真，針對計算結(jié)果進行驗證。汽車仿真軟件ADVISOR是美國能量部為其管理混合動力驅(qū)動系統(tǒng)子合同項目在1994年11月份而開發(fā)的，它是通過內(nèi)部子模塊進行組裝，基于MATLAB/SIMULINK環(huán)境下設(shè)計的一典型模塊化仿真軟件［4］。ADVISOR的仿真計算分為兩條路線，一條是后饋路線，主要是解決了如果要達到所要求的汽車速度，驅(qū)動鏈應(yīng)該向上要多大的功率，它的方向是從下向上傳遞的（如從車輪一＞變速器一＞電機），也稱為要求路線（require）；另一條是前饋路線，解決已經(jīng)從上面?zhèn)鬟f來這么多功率，應(yīng)該能向下面?zhèn)鬟f多大實際功率，進而在汽車驅(qū)動車輪上稱獲得多大的驅(qū)動力來計算實際的汽車車速，它的方向是從上向下傳遞的（如從電機一＞變速器一＞車輪），稱為實際/獲得路線（actual/available，achievable）［5］。純電動汽車的仿真頂層模塊圖如下頁圖2所示，由于軟件中沒有關(guān)于四輪獨立驅(qū)動的純電動車模型，且沒有輪轂電機的模型，因此，需要針對現(xiàn)有的后輪驅(qū)動的純電動車進行改進，建立新的四輪獨立驅(qū)動的純電動車模型。

2.1 加速和爬坡性能仿真

通過對軟件advisor中已有的文件進行改進，建立四輪獨立驅(qū)動的純電動車模型，按照上節(jié)中整車參數(shù)設(shè)計和動力性參數(shù)設(shè)計值進行參數(shù)仿真，仿真結(jié)果如下頁圖3～圖7所示。

圖2 純電動車的仿真頂層模塊圖

加速性能仿真結(jié)果：

圖3 加速性能仿真結(jié)果

圖4 無人車車速V（km/h）與時間t（s）關(guān)系

圖5 蓄電池的電量狀態(tài)隨時間t（s）變化關(guān)系

圖6 電機輸出轉(zhuǎn)矩T（N·m）與時間t（s）關(guān)系

圖7 電機轉(zhuǎn)速n（r/min）與時間t（s）關(guān)系

從仿真結(jié)果來看，圖3可知加速性能的結(jié)果：0到30 km的加速時間為10.9 s，從30 km到額定車速60 km的時間為21.4 s，也就是說，在平坦的路面上，無人車從0加速到額定車速的時間為32.3 s，達到最大車速的時間為78 s。其中，最大的加速度為1.6 m/s2，5 s內(nèi)的行駛距離為17.8 m，能夠達到最大的車速為131.2 km/h。從圖5中可以得到車輛在加速過程中鉛蓄電池的電量狀態(tài)隨時間的變化。從圖6和圖7中可以得到車輛在加速過程中的電機的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨時間的變化，無人車起步階段，轉(zhuǎn)矩迅速增大，以獲得較大加速度。隨無人車速度的提高，轉(zhuǎn)矩逐漸降低，車輪轉(zhuǎn)速不斷增加。

爬坡性能仿真結(jié)果：

從仿真結(jié)果來看，無人車在8 km/h的車速，電池滿電量的情況下，最大爬坡為26.6%，其中爬坡時電機的轉(zhuǎn)矩為167.512 8 N·m，轉(zhuǎn)速為41.249 r/min。

圖8 爬坡性能仿真結(jié)果

圖9 無人車車速V（km/h）與時間t（s）關(guān)系

圖10 蓄電池的電量狀態(tài)隨時間t（s）變化

圖11 電機輸出轉(zhuǎn)速n（r/min）與時間t（s）關(guān)系

圖12 電機轉(zhuǎn)矩T（N·m）與時間t（s）關(guān)系

2.2 典型路況仿真

首先選擇等速法對無人車的行駛里程進行仿真。在CYC_CONST_60工況下進行連續(xù)循環(huán)次數(shù)30次的仿真，以測試無人車在60 km/h的恒速下，車輛的續(xù)航里程。CYC_CONST_60工況的循環(huán)時間為360 s，行駛距離6.04 km，速度恒為60 km/h。得到續(xù)航里程隨時間曲線如下頁圖13所示，在此工況下汽車的最大巡航里程為100.67 km。

其次選用工況法對行駛里程進行仿真。針對實際路況的情況，選擇常用的仿真循環(huán)工況，即美國的城市驅(qū)動工況CYC_UDDS對無人車進行仿真。其速度曲線如圖14所示。

圖13 無人車60 km/m恒速下續(xù)駛里程s（×104m）與時間t（s）的關(guān)系

圖14 美國城市驅(qū)動工況CYC_UDDS下速度與時間、載重關(guān)系曲線

從圖14中可以看出，在載重量為零的情況下，車速隨著道路路況的不同，速度由高到低，直至停止，后又起步加速行駛。美國城市驅(qū)動工況的循環(huán)周期為1 369 s，行駛里程為11.99 km，平均速度為31.51 km/h，最大的速度為91.25 km/h，平均加速度為0.5 m/s2，其中間停車次數(shù)為17次。將循環(huán)次數(shù)設(shè)置為20次，仿真結(jié)果如圖15～圖20所示。

圖15 美國城市驅(qū)動工況CYC_UDDS下加速性能和爬坡性能測試

圖16 無人車車速V（km/h）與時間t（s）關(guān)系

圖17 蓄電池的電量狀態(tài)隨時間t（s）變化

圖18 無人車行駛里程s（×104m）隨時間t（s）變化

圖19 無人車輪轂電機輸出轉(zhuǎn)矩隨時間t（s）變化

圖20 無人車的牽引力隨時間t（s）的變化

由仿真結(jié)果圖15可以看出，由于出現(xiàn)實際的道路工況，模擬仿真值與之前的獨立仿真有差別，但是差別不大。圖16中，循環(huán)工況中要求達到的車速，無人車仿真過程中均能達到，因此，兩條速度曲線重合，最大的車速為91.25 km/h。從圖17和圖18可以看出，在電量完全放完的情況下，無人車在CYC_UDDS工況下，行駛了4個循環(huán)，行駛里程為47.96 km。由于進行道路循環(huán)工況中，需要起步、加速和減速停車等仿真操作，因此，耗電量增加，行駛里程相比在CYC_CONST_60工況下降低很多。通過進一步修改參數(shù)，將電池的容量改為200 A·h時，通過仿真，能夠達到的續(xù)駛里程為95.92 km，達到了實際要求，仿真結(jié)果如圖21所示。圖19和圖20可以看出隨著路況的不斷變化，無人車的電機輸出轉(zhuǎn)矩和整車的牽引力隨著不斷變化，來調(diào)節(jié)無人車的車速，負數(shù)代表整車處于制動狀態(tài)中。

圖21 無人車行駛里程s（×104m）隨時間t（s）變化

2.3 動力性仿真結(jié)果分析

通過理論計算值與仿真值的對比可以看出，不論是單獨對無人車的加速性能和爬坡性能進行仿真，還是通過實際的路況進行仿真，都能夠達到設(shè)計要求，0到30 km/h的加速時間均控制在10 s左右，爬坡能力均能達到設(shè)計的坡度20%。在對蓄電池的行駛里程的單獨仿真過程中，續(xù)航里程能夠達到設(shè)計要求100 km，但是在實際路況中，由于多次的起步停車，消耗了較多電量，因此，未能達到設(shè)計的續(xù)駛里程，通過進一步重新選取電池容量，將電池容量選為200 A·h，仿真結(jié)果達到無人車對行駛里程的要求。

3 結(jié)論

通過對無人車的運動分析和動力學分析，建立無人車的運動模型。通過對無人車的動力學分析，對無人車的動力部分輪轂電機和鉛蓄電池的參數(shù)進行設(shè)計。通過汽車仿真軟件ADVISOR對無人車進行動力學仿真，對參數(shù)設(shè)計合理性進行驗證。通過仿真結(jié)果來看，無人車動力性參數(shù)設(shè)計合理可靠，對下一步無人車的運動控制研究具有重要意義。

［1］胡暉.六輪獨立驅(qū)動無人車下位機控制系統(tǒng)研究［D］.上海:上海交通大學，2012.

［2］尹安東，蘇信杰，趙韓.電動轎車動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計和動力性能分析［J］.汽車科技，2009,9（1）:23-26.

［3］Huang W，Wang Y N，F(xiàn)eng K.Developmentof a Two-Speed Automatic Transmission for Pure Electric Vehicles［J］. Automotive Safety and Energy，2011，2（1）:72-76.

［4］曾小華.軍用混合動力輕型越野汽車動力總成匹配及控制策略研究［D］.吉林：吉林大學，2001.

［5］曾小華，宮緯鈞.ADVISOR 2002電動汽車仿真與在開發(fā)應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2014.

Parameter Design and Simulation of Dynamic Property for Four-wheel Independent Drive Unmanned Vehicle

WEI Dai-qiang，ZHAN Ren-jun，LIU Han-nuo
（Engineering College of CAPF，Equipment Engineering College，Xi’an 710086，China）

It is a difficulty and key，which is that they are studied to acquire the accurate parameters to match the design for the four-wheel independent drive unmanned vehicle，which are the power of in-wheel motor，the numbers and capacity of battery and the driving range and other parameters.They are determined by the unmanned vehicle kinematics and dynamics analysis，and should not only meet the feasibility and to have good reliability.According to the actual needs and requirements of dynamic property design，the dynamic parameters is obtained by theoretical calculation on the basis of the unmanned vehicle kinematics and dynamics analysis，and then We establish vehicle simulation model with ADVISOR software applications，which can be used to do dynamic simulation for conducting to verify rationality of the design parameters.Through the simulation，the result that the power index of its maximum speed，climbing performance，acceleration performance and mileage by simulation in different conditions can meet the unmanned vehicle，which has verified rationality of the design parameters.It has important practical significance for the prototype production and the further conduct of vehicle motion control research.

unmanned vehicle，dynamic property，ADVISOR simulation

U461.2

A

1002-0640（2015）06-0176-05

2014-05-07

2014-06-20

魏代強（1990- ），男，山東臨沂人，碩士研究生。研究方向：軍事裝備保障。