雙轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對電動(dòng)汽車操縱穩(wěn)定性的影響研究*

周斯加 龍江啟 蘇忠根 張 毅

（溫州大學(xué)）

1 前言

隨著對雙轉(zhuǎn)子電機(jī)研究的深入，其左、右轉(zhuǎn)動(dòng)慣量差異性對電動(dòng)汽車操縱穩(wěn)定性尤其是高速操縱穩(wěn)定性的影響逐步被重視。文獻(xiàn)[1]對雙轉(zhuǎn)子電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)汽車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了初步探討，但未考慮地面附著力，也未結(jié)合整車模型進(jìn)行分析。本文著重分析了雙轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)橋?qū)囕v行駛性能的影響，尤其是其不同布置形式對操縱穩(wěn)定性的影響，總結(jié)此種驅(qū)動(dòng)形式在操縱穩(wěn)定性方面須解決的工程問題，使得其優(yōu)良特性得以發(fā)揮。

2 整車驅(qū)動(dòng)模型建立

以前驅(qū)為例對雙轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行簡化，分析模型如圖1所示。利用魔術(shù)公式輪胎模型建立整車8自由度運(yùn)動(dòng)模型，包括車體縱向、橫向、橫擺、側(cè)傾4個(gè)自由度，每個(gè)車輪各有1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,如圖2所示。

圖1、圖2中，ji是第i個(gè)車輪及對應(yīng)傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和；ω1、ω2分別是左、右車輪角速度；Te是電磁轉(zhuǎn)矩；ip是行星排減速比；m為車身質(zhì)量；l為軸距；b為質(zhì)心到后軸的距離；a為質(zhì)心到前軸的距離；u為縱向前進(jìn)速度；e是簧載質(zhì)量質(zhì)心到側(cè)傾中心的距離；h為汽車質(zhì)心到地面的距離；φ為汽車側(cè)傾角；p為汽車側(cè)傾角速度；Ixs、Ixzs分別為汽車簧載質(zhì)量繞車輛坐標(biāo)系x軸和x、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Fxi（i=1，…，4）、Fyi（i=1，…，4）為第 i個(gè)車輪在其輪胎坐標(biāo)x、y 方向上的力；Mzi（i=1，…，4）為第 i個(gè)車輪在其輪胎坐標(biāo)系下的回正力矩。

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，x方向的力平衡方程為：

y方向的力平衡方程為：

繞z軸力矩平衡方程為：

繞x軸力矩平衡方程為：

此外：φ˙=P

由于雙轉(zhuǎn)子電機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子相向轉(zhuǎn)動(dòng)，所以配置的行星減速器連接方式略不同。轉(zhuǎn)子通常與太陽輪連接，一側(cè)的行星架固定，齒圈輸出；另一側(cè)的齒圈固定，行星架輸出，但兩側(cè)減速比相同，以達(dá)到對內(nèi)、外轉(zhuǎn)子換向減速輸出的目的。

3 驅(qū)動(dòng)橋布置形式對操縱穩(wěn)定性的影響分析

文獻(xiàn)[1]主要討論了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋自身的驅(qū)動(dòng)特性，在變負(fù)載、變工況路面上，驅(qū)動(dòng)橋可以很好地完成驅(qū)動(dòng)、差速功能，但對于整車操縱性能的影響還不能確定。本文通過仿真方法分析驅(qū)動(dòng)橋驅(qū)動(dòng)特性對整車操縱穩(wěn)定性的影響，雙轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車主要參數(shù)設(shè)置如表1所列。

3.1 高速加速工況分析

車輛在變速行駛時(shí)由于雙轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量差異引起的非穩(wěn)定性會(huì)對車輛行駛造成不利影響。高速加速工況是模擬車輛在高速行駛時(shí)繼續(xù)加速超車的情況，車輛初始速度為20 m/s，經(jīng)過15 s加速至30 m/s后維持車速恒定，隨后觀察橫擺角速度、側(cè)向速度以及側(cè)向位移等參數(shù)。仿真結(jié)果如圖3～圖8所示。

表1 雙轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車主要參數(shù)設(shè)置

通過圖3～圖8分析可知，驅(qū)動(dòng)橋前、后驅(qū)動(dòng)形式對車輛加速過程中的側(cè)向穩(wěn)定性影響非常接近，且前驅(qū)車型較后驅(qū)車型各參數(shù)變化幅度都較小。在沒有駕駛員轉(zhuǎn)向修正的情況下車輛出現(xiàn)了橫擺角速度、側(cè)向車速以及側(cè)向位移不為零的情況，這是由驅(qū)動(dòng)橋左、右半軸以及雙轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量差異造成。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大于內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在受到同樣電磁轉(zhuǎn)矩推動(dòng)的情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的一側(cè)半軸必然產(chǎn)生較小的角加速度，即變化更加遲緩。從仿真結(jié)果的變化趨勢來看，隨著加速度的增加 （可以通過左右側(cè)車輪路面滑轉(zhuǎn)率得到），不穩(wěn)定性也隨之增大。當(dāng)車輛進(jìn)入勻速行駛階段后，由于這種差異性造成的不穩(wěn)定性迅速消失。以變化較大的后驅(qū)汽車為例，在車輛行駛30 s末，縱向位移為825 m，此時(shí)側(cè)向位移僅為0.094 m，由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量差異造成的跑偏量為0.011%，遠(yuǎn)小于普通車輛平均0.4%～0.5%的水平。

3.2 低速加速工況分析

從車輛靜止開始分別采用驅(qū)動(dòng)橋前驅(qū)、后驅(qū)和四驅(qū)3種方式對車輛進(jìn)行加速工況仿真，在10 s末車輛加速至20 m/s，隨后觀察橫擺角速度、側(cè)向速度以及側(cè)向行駛位移等整車行駛參數(shù)，如圖9～圖13所示。

設(shè)定低速加速工況仿真時(shí)的加速度約為高速時(shí)的3.3倍，在受到比高速時(shí)更大的電磁轉(zhuǎn)矩推動(dòng)作用下，兩側(cè)車輪的加速性差異也較高速時(shí)更加明顯。通過分析圖9～圖13可知，從側(cè)向速度、橫擺角速度兩項(xiàng)指標(biāo)來看，高速工況下的側(cè)向穩(wěn)定性要略好于低速工況，如高速時(shí)側(cè)向速度最大值只有低速時(shí)的74%，高速時(shí)橫擺角速度最大值只有低速時(shí)的43%，但由于高速下對側(cè)向位移積累效應(yīng)較大，所以高速時(shí)側(cè)向位移比低速時(shí)偏大。

4 利用四驅(qū)方式減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量差異造成的不良影響

仿真結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)橋前置或后置，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量差異對車輛性能的影響同向，因此可以通過四驅(qū)形式在前后軸交叉使用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大側(cè)的驅(qū)動(dòng)橋來減小因?yàn)檫@種差異所造成的不穩(wěn)定因素。在高速加速工況下，通過前、后驅(qū)動(dòng)橋轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小側(cè)交叉分布的四驅(qū)車型來減少這種不良影響，仿真結(jié)果如圖14～圖18所示。

通過分析圖14～圖18可知，從縱向加速性能來看，后驅(qū)車型與四驅(qū)車型幾乎無差別。從側(cè)向穩(wěn)定性指標(biāo)來看，由于每一個(gè)驅(qū)動(dòng)橋的側(cè)向不穩(wěn)定因素都受到另一個(gè)驅(qū)動(dòng)橋的反向抑制作用，所以四驅(qū)車型側(cè)向運(yùn)動(dòng)各參數(shù)變化幅度都大幅減小，行駛穩(wěn)定性提高明顯。從整車來看，前驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)轉(zhuǎn)子連接右側(cè)車輪，產(chǎn)生了一個(gè)繞z軸逆時(shí)針方向的橫擺力矩，而從后軸數(shù)據(jù)來看則剛好是產(chǎn)生一個(gè)繞z軸順時(shí)針方向的橫擺力矩，兩個(gè)橫擺力矩相互抵消是四驅(qū)車型側(cè)向穩(wěn)定性更好的原因。在橫擺角速度、側(cè)向速度和側(cè)向位移3項(xiàng)指標(biāo)中，四驅(qū)車型較前驅(qū)車型在側(cè)向穩(wěn)定性方面有顯著提高，如在30 s仿真過程中，四驅(qū)車型的側(cè)向速度最大值只有前驅(qū)車型的6.88%，而橫擺角速度最大值只有前驅(qū)車型的11.2%，縱向位移最大值為前驅(qū)車型的10.4%。

5 結(jié)束語

討論了雙轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)橋前驅(qū)、后驅(qū)等布置形式對車輛側(cè)向穩(wěn)定性的影響，并得到如下結(jié)論：

a.在高速工況下，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋前置時(shí)對側(cè)向穩(wěn)定性的影響小于驅(qū)動(dòng)橋后置。

b. 無論高速、低速工況，驅(qū)動(dòng)橋?qū)囕v側(cè)向穩(wěn)定性的影響非常微弱。

c. 對于電動(dòng)四驅(qū)車型，完全可以通過前、后驅(qū)動(dòng)橋交叉布置轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的外轉(zhuǎn)子以達(dá)到縮小由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量差異造成的對側(cè)向行駛性能的影響。

d. 在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)橋過程中，可通過調(diào)整附屬連接部件以及加裝配重等方法盡量使兩側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量趨于一致。

1 羅玉濤，曠鵬，劉延偉.對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)在電動(dòng)汽車上的驅(qū)動(dòng)特性.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2008（2）:7～12.

2 羅玉濤，黃向東，周斯加，等.一種車用多功能電磁差速系統(tǒng).中國專利，200510100281.9.2005－10－4.

3 羅玉濤，黃向東，周斯加，等.一種油－電混合動(dòng)力汽車的多橋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).中國專利，20061003386.5.2006－2－27.

4 周斯加，羅玉濤，黃向東，等.基于自適應(yīng)濾波的電動(dòng)汽車縱向滑移率識(shí)別方法.交通與計(jì)算機(jī)，2007（3）:70～74.

5 寇發(fā)榮，馬建.超車工況下高速客車操縱穩(wěn)定性仿真與試驗(yàn)研究.汽車技術(shù)，2006（4）:24～27.

（責(zé)任編輯 簾 青）