四輪獨立驅(qū)動電動汽車性能仿真方法研究

趙華慧　黃兆飛　楊鎮(zhèn)瑜

摘 要：四輪獨立驅(qū)動電動汽車由于其布局靈活、動力獨立可控，成為未來電動汽車的主要發(fā)展方向，而對整車性能進行仿真分析可以有效地縮短研發(fā)時間和成本。本文首先建立了四輪獨立驅(qū)動電動汽車的動力學模型，然后根據(jù)動力學模型，采用CRUISE和MATLAB分別建立了整車動力性能的仿真模型。仿真試驗結(jié)果表明，CRUIE建立仿真模型簡單方便，但只能分析直線行駛工況;MATLAB可以模擬分析汽車的各種行駛工況，但其仿真結(jié)果的準確性取決于動力學模型的準確程度。

關(guān)鍵詞：四輪獨立驅(qū)動;性能仿真;MATLAB;CRUISE

1 前言

節(jié)能與環(huán)保是21世紀的發(fā)展主題，而對于汽車行業(yè)來說，純電動汽車完全符合節(jié)能與環(huán)保這一發(fā)展要求，成為未來汽車的一個主要發(fā)展方向。四輪獨立驅(qū)動電動汽車作為純電動汽車中的一種，因其動力獨立可控，便于實現(xiàn)差速控制、原地轉(zhuǎn)向等功能，成為時下汽車行業(yè)的一個研發(fā)重點[1]。

仿真技術(shù)的出現(xiàn)，使得汽車產(chǎn)品的研發(fā)成本和周期得到了大大的降低，而且隨著科學技術(shù)的不斷進步，汽車行業(yè)常用的仿真軟件的仿真結(jié)果和實際誤差越來越小，使得仿真分析已經(jīng)成為汽車研發(fā)過程中必不可少的一個階段。對于四輪獨立驅(qū)動電動汽車的研發(fā)可以追溯到1898年，但是，經(jīng)過這一百多年的發(fā)展，只有極少部分國家有成熟的四輪獨立驅(qū)動電動汽車車型上市，絕大部分國家的四輪獨立驅(qū)動電動汽車還處于概念車的階段[2]。國內(nèi)各大高校也致力于四輪獨立驅(qū)動電動車的研發(fā)，但都把研發(fā)重點放在了驅(qū)動力分配、電子差速控制以及驅(qū)動防滑控制等方面[2-4]，卻沒有一家機構(gòu)建立一款行業(yè)通用的四輪獨立驅(qū)動電動汽車仿真模型。

因此，本文以一款四輪獨立驅(qū)動電動汽車為研究對象，首先建立該款電動汽車的動力學模型，然后根據(jù)動力學模型，采用行業(yè)內(nèi)常用的CRUISE和MATLAB兩款軟件分別建立整車動力性能的仿真模型并進行仿真分析，對比兩款軟件建立的仿真模型的優(yōu)劣， 為四輪獨立驅(qū)動電動汽車的發(fā)展提供一定的理論支撐。

2 四輪獨立驅(qū)動電動汽車動力學模型

汽車的行駛系統(tǒng)是一個十分復雜的系統(tǒng)，為了便于仿真模型的建立，本文對一些次要因素進行簡化，只建立關(guān)鍵部件的動力學模型。

2.1 車身模型

由圖1可知，汽車在行駛過程中，根據(jù)汽車理論以及工程力學知識可知，汽車車身的受力平衡方程為：

在方程式中，m1指汽車的車身質(zhì)量，（kg）;Fp1指車軸上所受縱向力的和，（N）;Fw是指空氣阻力，（N）;G1指汽車車身的重力，（N）;α指道路坡度，（°）;是指汽車的加速度，（m/s2）。

2.2 電機模型

本文研究的汽車的電機是一款PSM電機（永磁同步電機），電機的參數(shù)如表1所示。

根據(jù)電機的輸出扭矩曲線，擬合出的電機輸出扭矩為：

式中，Tm為電機轉(zhuǎn)矩（N·m）;nm為電機轉(zhuǎn)速（r/min）。

2.3 輪胎模型

輪胎的受力圖如圖2所示。

輪胎的受力平衡方程為：

在方程式中，F(xiàn)p2是指車軸作用在車輪上的縱向合力，（N）;Fx是指路面作用在車輪的切向反作用力，（N）;mi是指車輪質(zhì)量，（kg）;Gi是指汽車車輪重力，（N）。

忽略汽車車輪上面的慣性阻力矩，地面作用在車輪上的切向反力的表達式為：

在方程式中，Tf是指車輪上的滾動阻力矩，（N·m）;ri是指汽車的車輪半徑，（m）。

2.4 汽車的行駛方程式

由驅(qū)動力和行駛阻力的平衡關(guān)系，可知汽車的行駛方程式為：

在方程式中，f為汽車滾動阻力系數(shù);i為汽車的爬坡度;為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

3 四輪獨立驅(qū)動電動汽車動力性能仿真分析

為了建立行業(yè)通用的四輪獨立驅(qū)動電動汽車的仿真模型，本文選取兩款電動汽車常用的仿真軟件——CRUISE和MATLAB，分別建立整車的仿真模型，并進行仿真分析。

3.1 基于CRUISE的動力性能仿真分析

AVL CRUISE是在ADVISOR基礎(chǔ)上研發(fā)的一款用于汽車仿真的軟件，主要用于車輛的動力性、燃油經(jīng)濟性和排放性的仿真分析[1]。這款軟件由于其模塊化的設(shè)計，廣泛受到車輛企業(yè)和高校的青睞。

基于AVL CRUISE建立的整車仿真模型如圖3所示，該模型包括：整車模塊、能耗模塊、驅(qū)動電機模塊、電池模塊、制動器模塊、駕駛室模塊、MATLAB模塊、車輪模塊和減速器模塊。

最大爬坡度仿真結(jié)果如圖4所示。

3.2 基于MATLAB的動力性能仿真分析

汽車在行駛過程中，最大爬坡度的表達式為[5]：

基于MATLAB建立的最大爬坡度的仿真模型如圖5所示：

仿真結(jié)果如圖6所示：

4 結(jié)論

通過兩款軟件對最大爬坡的仿真分析可以看出，CRUIE建立仿真模型簡單方便，但只能分析直線行駛工況;MATLAB可以模擬分析汽車的各種行駛工況，但其仿真結(jié)果的準確性取決于動力學模型的準確程度。因此，在進行車輛性能的仿真分析時，應(yīng)該根據(jù)實際的需要選取不同的仿真方式。

基金項目：四川省科技計劃項目（2018GZ0200）;四川省教育廳科研項目（18ZB0041）;四川省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（S201911116076）

參考文獻：

[1]趙華慧.四輪獨立驅(qū)動電動車分工況驅(qū)動力分配策略研究[D].重慶：西南大學，2016.

[2]劉經(jīng)文.四輪獨立電動車驅(qū)動_轉(zhuǎn)向_制動穩(wěn)定性集成控制算法研究[D].長春：吉林大學，2012.

[3]蔣造云.四驅(qū)電動汽車穩(wěn)定性控制縱向力分配算法研究[D].上海：同濟大學，2008.

[4]戴一凡.分布式電驅(qū)動車輛縱橫向運動綜合控制[D].北京：清華大學，2013.

[5]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009：21.