獨立驅動電動汽車機電耦合系統的研究*

林 程,徐志峰，張 汝，王 剛，周逢軍

(北京理工大學機械與車輛工程學院,北京 100081)

前言

獨立驅動電動汽車可以通過單獨控制每個驅動輪的驅動轉矩來改善車輛的行駛性能，具有集中驅動無法比擬的優點，是電動汽車的重要發展方向[1]。

但多輪獨立驅動還存在較大缺陷：當車輛行駛在對開路面時，如果處于低附著路面上的車輪打滑，則必須減小該側驅動電機的輸出轉矩，使車輪恢復正常轉動，這時主要依靠高附著系數路面的驅動電機進行驅動，浪費了打滑車輪一側電機的驅動功率，在這點上不如帶防滑差速器的單電機集中驅動車輛。為此，本文中選用黏性聯軸器作為機電耦合裝置，并通過整車仿真驗證黏性聯軸器對整車性能的影響。

1 黏性聯軸器的布置和轉矩特性

以北京理工大學電動車輛國家工程實驗室發明的具有防滑差速功能的雙電機獨立驅動車輛為平臺[2]，進行設計和研究。整車主要零部件和黏性聯軸器的布局如圖1所示。

黏性聯軸器的內部結構如圖2所示。它由輸入軸、輸出軸、外殼(與輸出軸相連)、內摩擦片、外摩擦片、作為黏性工作介質的硅油以及油封組成。

黏性聯軸器有剪切和駝峰兩種工作狀態，在車輛正常行駛過程中其處于剪切狀態，即通過剪切硅油，實現轉矩從高速端到低速端的傳遞。

黏性聯軸器內的硅油和空氣的混合流體是非牛頓流體[3]，再結合油膜剪切原理，可得到黏性聯軸器的轉矩計算模型為

式中：ε為孔槽影響系數；n1、n2分別為內、外摩擦片數；ρ1、ρg為標準狀態下硅油和空氣的密度；η0為硅油的初始填充率；γB為參考剪切率；a、b、c、d為常數；v0為硅油在零剪切率以及25℃時的運動黏度值；T為硅油某時刻的瞬時溫度；ΔN為內外摩擦片的轉速差；s為油膜厚度；r1和r2分別為外摩擦片的內半徑和內摩擦片的外半徑；n為硅油流動指數。

2 黏性聯軸器參數設計和試驗分析

本文中所選用的目標車型主要參數如表1所示。經實驗測得，汽車正常轉向時，左右車輪的最大轉速差為80r/min左右[4]，即所設計的黏性聯軸器的駝峰觸發轉速差必須大于此值。表2為黏性聯軸器的主要技術參數。

表1 目標車型的主要參數

表2 黏性聯軸器主要技術參數

圖3為黏性聯軸器主要零部件。按照上面提到的轉矩傳遞特性建立黏性聯軸器的Simulink模型，將仿真結果與臺架實驗數據進行對比[5]，結果如圖4所示。由圖可見，仿真結果與實驗數據基本吻合。

3 整車動力學模型

本文中建立了7自由度車輛模型，包括車體的縱向、橫向和橫擺運動，以及4個車輪的轉動。同時假定車輛行駛在水平路面，并忽略空氣阻力的影響。建立整車坐標系，如圖5所示。

整車運動方程為

驅動車輪和從動車輪的旋轉運動方程為

式中：Iw為車輪的轉動慣量；Td為電機傳給驅動輪的轉矩；Fx為車輪受到的地面力；Tf為滾動阻力矩；Tlsd為黏性聯軸器傳遞的轉矩，動力學計算時高速端取負值，低速端取正值。

模型中輪胎模型選用郭孔輝院士提出的統一輪胎模型，輪胎縱向力Fx、側向力Fy和回正力矩M為[6]

M=Fy(Dx+Xc)-FxYc

Dx=(Dx0+De)exp(-D1φ-D2φ2)-De

4 車輛仿真分析

下面對不同工況下裝有和未裝黏性聯軸器的車輛進行仿真研究。

4.1 動力性仿真

設定左側車輪所處的路面附著系數為0.8，右側路面附著系數為0.2，車輛在對開路面上起步加速。各驅動車輪滑轉情況和加速曲線如圖6～圖8所示。

從圖6可見，安裝黏性聯軸器后，高附著系數路面上的車輪滑轉率略高于安裝前，但依然處于正常狀態。這是由于右側電機的部分轉矩經黏性聯軸器傳到了左側車輪。

從圖7可以看出，未安裝黏性聯軸器的車輛右前輪出現嚴重的滑轉現象，這時只能依靠減小右側電機的輸出轉矩來抑制滑轉。而裝有黏性聯軸器的車輛能有效地消除低附著系數路面上車輪的滑轉現象，此時無需減小右側的驅動轉矩，從而降低了整車對驅動防滑控制系統的依賴。而且從圖8可見，裝有黏性聯軸器的車輛加速性能有明顯改善。綜上所述，相比單一地調節電機轉矩進行防滑控制，加裝黏性聯軸器后，整車加速性和安全性都有明顯提高。

4.2 穩定性仿真

4.2.1 穩態轉向運動

設車輛在運動過程中轉向角不變，始終為9°，車速由零增加到40km/h后勻速行駛。圖9和圖10為車輛行駛在高附著系數路面上的仿真結果。圖11和圖12為車輛在低附著系數路面上的仿真結果。

由圖可見，安裝黏性聯軸器的車輛在穩態轉向時，橫擺角速度和側向加速度都略低于普通車輛，有輕微的不足轉向趨勢。即安裝黏性聯軸器后，在不影響車輛正常轉向的同時，提高了整車的操縱穩定性。

4.2.2 瞬態轉向運動

設車輛從靜止加速到40km/h，待車速穩定于40km/h后，突然給車輛一個9°的轉向角，之后保持該轉向角不變。圖13和圖14分別為車輛行駛于高附著系數路面和低附著系數路面的仿真結果。可見，安裝黏性聯軸器的車輛在瞬態轉向時，橫擺角速度略低于普通車輛，有輕微的不足轉向趨勢。

4.2.3 蛇形運動

設車輛以10m/s的速度勻速行駛在良好路面上，第8s時通過控制轉向盤，使車輛作蛇行運動。仿真進行20s。圖15為黏性聯軸器傳遞的轉矩，圖16為安裝黏性聯軸器前后整車橫擺角速度對比。

圖15中轉矩的正負體現車輛蛇形運動過程中轉矩傳遞的方向，轉矩呈正弦規律變化。從圖16可見，安裝黏性聯軸器后，橫擺角速度略低于普通車輛，整車的操縱穩定性得到提高。

5 結論

安裝黏性聯軸器作為機電耦合裝置后，不僅使獨立驅動車輛在對開路面上的動力性和安全性明顯提高，簡化了驅動防滑控制策略，并且不影響車輛的正常轉向，使其呈現不足轉向趨勢，操縱穩定性得到改善。對于現有獨立車輪驅動系統存在的無法實現左右電機動力耦合的弊端，提出了一種可行的備選方案。

[1] Yoichi Hori. Future Vehicle Driven by Electricity and Control-research on Four-wheel-motored “UOT Electric March II”[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2004,51(5):954-962.

[2] 北京理工大學.電動汽車雙電機防滑差速驅動橋:中國,200810097693.5[P].2009-09-02.

[3] Mohan S K, Ramarao B V. Viscous Coupling in 4WD Vehicles: Application of Computational Modelling[C]. SAE Paper 1992-01-0611.

[4] 張利鵬.雙電機獨立驅動汽車動力學仿真與控制[D].北京:北京理工大學機械與車輛工程學院,2011.

[5] 劉亮,夏國棟.液體粘性聯軸器剪切轉矩計算方法[J].汽車工程,2003,25(1):30-33.

[6] 付皓.汽車電子穩定性系統質心側偏角估計與控制策略研究[D].長春:吉林大學汽車工程學院,2008.