王棟梁，茹強(qiáng)，趙軒

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車電子差速仿真研究

王棟梁，茹強(qiáng)，趙軒

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

文章針對前輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向電子差速控制策略進(jìn)行研究，建立了分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車低速轉(zhuǎn)向時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速滿足阿克曼轉(zhuǎn)向原理為目標(biāo)的電子差速策略?；贛atlab/Simulink和Carsim建立了分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。仿真分析驗(yàn)證了低速轉(zhuǎn)向電子差速控制策略的有效性。

分布式驅(qū)動(dòng)；電子差速；電動(dòng)汽車；Carsim

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-23-03

引言

基于電動(dòng)汽車動(dòng)力源結(jié)構(gòu)形式的不同，電動(dòng)汽車可以分為單一動(dòng)力源集中式驅(qū)動(dòng)以及多動(dòng)力源分布式驅(qū)動(dòng)[2]。分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均可獨(dú)立控制，使得相比集中式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率更優(yōu)，更加利于整車布置，動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的速度更快。然而，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車處于轉(zhuǎn)向以及不平路面行駛工況時(shí)，機(jī)械差速器能夠?qū)崿F(xiàn)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪不發(fā)生過度滑移或者滑轉(zhuǎn)，由于分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車沒有機(jī)械差速器，因此需要通過電子差速策略實(shí)現(xiàn)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間協(xié)調(diào)工作[4]。本文針對分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，制定了低速轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速滿足阿克曼轉(zhuǎn)向原理為目標(biāo)的電子差速控制策略，并基于Matlab/ Carsim的聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了低速轉(zhuǎn)向電子差速控制策略的有效性。

1、分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)

分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的概念是與集中式相對而言的，是按照動(dòng)力系統(tǒng)布局形式將電動(dòng)汽車歸為這兩大類的。集中式電動(dòng)汽車采用單電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)形式，即汽車傳統(tǒng)的通用的結(jié)構(gòu)，將動(dòng)力由電機(jī)、離合器、變速箱、傳動(dòng)軸、差速器、半軸傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，這與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)區(qū)別不大。而分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車采用多個(gè)電機(jī)（兩個(gè)或兩個(gè)以上）分布在車輪旁邊或內(nèi)部，每個(gè)電機(jī)通過各自的減速器及傳動(dòng)半軸或直接將動(dòng)力傳遞給不同驅(qū)動(dòng)輪。多電機(jī)分布式布局使得電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模式產(chǎn)生了根本變化，形成電動(dòng)汽車獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。根據(jù)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝位置不同可以分為輪邊驅(qū)動(dòng)式以及輪轂驅(qū)動(dòng)式；根據(jù)驅(qū)動(dòng)輪數(shù)目不同又可以分為兩輪驅(qū)動(dòng)以及四輪驅(qū)動(dòng)。本文研究前輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2、低速轉(zhuǎn)向差速分析與控制策略

2.1 低速轉(zhuǎn)向差速分析

圖2為車輛低速轉(zhuǎn)向時(shí)，忽略車輪側(cè)偏、輪荷和軸荷轉(zhuǎn)移以及車輪滑移等因素之后，根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向原理各車輪瞬態(tài)轉(zhuǎn)速關(guān)系可以表示為：

式（1）中，VP為前軸中點(diǎn)P處速度，Vfl為左前輪固結(jié)于車輪中心處速度；Vfr為右前輪固結(jié)于車輪中心處速度；Vrl為左后輪固結(jié)于車輪中心處速度；Vrr為右后輪固結(jié)于車輪中心處速度；wfl為左前輪轉(zhuǎn)速；wfr為右前輪轉(zhuǎn)速；wrl為左后輪轉(zhuǎn)速；wrr為右后輪轉(zhuǎn)速；Rfl為左前輪瞬態(tài)轉(zhuǎn)向半徑；Rfr為右前輪瞬態(tài)轉(zhuǎn)向半徑；Rrl為左后輪瞬態(tài)轉(zhuǎn)向半徑；Rrr為右后輪瞬態(tài)轉(zhuǎn)向半徑；RP為前軸中點(diǎn)P處瞬態(tài)轉(zhuǎn)向半徑。

根據(jù)轉(zhuǎn)向幾何學(xué)關(guān)系，可知各車輪以及前軸中點(diǎn)P處的瞬態(tài)轉(zhuǎn)向半徑為：

式（2）中，L為車輛軸距；L1為車輛質(zhì)心至前軸距離；L2為車輛質(zhì)心至后軸距離；W為車輛輪距；θ為車輛前軸中點(diǎn)P處轉(zhuǎn)向角；θin為車輛左前輪轉(zhuǎn)向角；θout為車輛右前輪轉(zhuǎn)向角。

2.2 低速電子差速控制策略

以雙電機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)汽車為例，本文提出轉(zhuǎn)向時(shí)電子差速控制策略如圖3所示，其中左、右驅(qū)動(dòng)輪需求轉(zhuǎn)速根據(jù)圖2轉(zhuǎn)向阿克曼原理幾何關(guān)系以及式（1）、式（2）計(jì)算獲得，當(dāng)前文獻(xiàn)的控制算法主要有PI和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法。

圖2 車輛低速轉(zhuǎn)向示意圖

圖3 低速電子差速控制策略

3、Matlab/Carsim聯(lián)合仿真平臺(tái)

3.1 仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)

Carsim是一款面向特性的參數(shù)化建模汽車動(dòng)力學(xué)仿真軟件，建立于美國密西根大學(xué)運(yùn)輸研究中心30多年的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)之上。該軟件能夠較為真實(shí)反應(yīng)車輛在不同駕駛員輸入以及車輛行駛環(huán)境輸入下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，同時(shí)它還可以實(shí)現(xiàn)與其他仿真軟件（如Cruise，Matlab）之間的聯(lián)合仿真。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以針對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行不同的仿真、分析，并通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)以提高系統(tǒng)的性能，進(jìn)而達(dá)到最佳的仿真結(jié)果，提高系統(tǒng)的開發(fā)效率。本文結(jié)合Matlab/Simulink控制策略建模的優(yōu)勢以及Carsim車輛模型建模優(yōu)勢，建立了如圖4所示的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車聯(lián)合仿真平臺(tái)。

Carsim車輛模型是將車輛抽象簡化為10個(gè)部分：1個(gè)車體部分、4個(gè)簧下質(zhì)量部分、4個(gè)旋轉(zhuǎn)車輪部分和一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸部分。簡化后的模型包括27個(gè)自由度：3個(gè)簧載質(zhì)量的移動(dòng)自由度（X，Y，Z）、4個(gè)非簧載質(zhì)量自由度、4個(gè)車輪旋轉(zhuǎn)自由度、1個(gè)傳動(dòng)系旋轉(zhuǎn)自由度、8個(gè)輪胎瞬態(tài)特性自由度和4個(gè)制動(dòng)壓力自由度。具體可以包括車體、空氣動(dòng)力學(xué)、傳動(dòng)總成、制動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系、輪胎和懸架七大子系統(tǒng)。

圖4 分布式驅(qū)動(dòng)汽車聯(lián)合仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)

3.2 輸入與輸出參數(shù)配置

實(shí)現(xiàn)Carsim/Simulink聯(lián)合仿真之前，需要對Carsim輸入與輸出模塊接口進(jìn)行正確的配置。本文的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的輸入與輸出模塊接口參數(shù)配置如表1所示。

表1 Carsim輸入與輸出模塊接口參數(shù)配置

4、仿真分析

圖5 驅(qū)動(dòng)輪滑移率

圖6 驅(qū)動(dòng)輪縱向速度

圖5為車輛勻速30km/h，階躍工況下的驅(qū)動(dòng)輪滑移率變化曲線，從圖中可以看出階躍工況下，驅(qū)動(dòng)輪滑移率沒有出現(xiàn)過度滑移與滑轉(zhuǎn)，均處于穩(wěn)定區(qū)域。從圖6可見，轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向基本原理，左右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪目標(biāo)控制轉(zhuǎn)速不同，同時(shí)可見，當(dāng)由于轉(zhuǎn)向行駛，使得驅(qū)動(dòng)輪左右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪載荷不同，所對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)輪滑移率不一致。

5、結(jié)論

針對分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車低速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，制定了以驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)的電子差速控制策略，結(jié)合Carsim和Matlab的仿真建模優(yōu)勢，建立了分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車聯(lián)合仿真平臺(tái)，基于階躍工況仿真分析，驗(yàn)證了低速轉(zhuǎn)向電子差速控制策略的有效性。

[1] 熊璐,陳晨,馮源.基于Carsim/Simulink聯(lián)合仿真的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車建模[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2014,26(5):1143-1148+1155.

[2] 嚴(yán)運(yùn)兵,彭思侖.后驅(qū)電動(dòng)輪汽車電子差速控制影響因素分析[J].汽車工程.2014,36(2):210-215.

[3] 陳東,徐寅,梁華軍.雙電機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車電子差速控制的研究[J].汽車工程.2013,35(1):46-50.

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Electronic Differential Simulation Research on Distributed Driving Electric Vehicle

Wang Dongliang, Ru Qiang, Zhao Xuan
( University of changan automobile institute, Shaanxi Xi'an 710064 )

A In this paper, the steering differential control strategy of the electric vehicle with front wheels driven independently was studied and when the distributed driving electric vehicle was at a low steering speed, an electronic differential strategy was established, the goal of which was that the speed of driving wheels meet Ackerman principle. Based on Matlab/Simulink and Carsim, a distributed driving electric vehicle simulation test platform was established. Simulation results showed the effectiveness of the electronic differential control strategy with a low steering speed.

electric vehicle; distributed driving; electronic differential; Carsim

U469.7

A

A1671-7988(2017)01-23-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.010

王棟梁（1989-），男，研究生，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院，研究方向?yàn)樾履茉雌嚒?/p>