輪邊驅動電動車平順性和操穩(wěn)性分析與控制研究

夏國強　許向國

摘 要：為了解決能源危機，促進低碳節(jié)能的發(fā)展，在國際上很早就進行了對電動車的研究。但是因為很多技術的原因和成本的限制，電動車一直沒能進行普及。本文對于輪邊驅動車的平順性和操穩(wěn)性進行了深入的分析，探究怎么在這方面進行控制，加強電動車的普及和應用，促進電動車在我國的普及。

關鍵詞：輪邊驅動電動車；平順性；操穩(wěn)性

1 前言

輪邊驅動電動車傳動效率高，對于能源的利用效率高，但是整車非簧載質量的顯著增大和輪轂電機存在的特殊轉矩波動，會對車輛的平順性與操穩(wěn)性產生消極影響。所以，我們應該加強這一方面的探索，盡快的完善相應技術的革新。

2 當前輪邊驅動電動車的研究進展

對于輪邊驅動電動車的研究主要是因為在動力學上這一類型的電動車具有明顯的優(yōu)點，有可能成為未來世界交通工具的主流。基于這一可能，世界各國推進了對于輪邊驅動電動車的研究，通用公司進行了雪佛蘭混合動力皮卡車的研制、法國TM4設計制造了制動鼓動一體性的電動驅動系統(tǒng)、標志公司開發(fā)了4輪驅動的電動車，英國的貝姆勒公司開發(fā)了四輪電動輪驅動的電動車等。最具前沿價值的是法國的米其林公司開發(fā)的主動輪技術，把動力裝置、懸架裝置、制動裝置、車輪本身構架成了一個整體，不需要傳統(tǒng)動力就可以驅動汽車前進的智能化車輪，無論是理念、技術，還是傳動的構思，都堪稱典范。輪邊驅動電動車示意圖如下：

3 對于輪邊驅動電動車平順性和穩(wěn)操性的研究

3.1 輪邊驅動電動車平順性和操穩(wěn)性的研究進展

輪邊驅動電動車的動力結構相比于其他傳統(tǒng)電動車或者是驅動車來說，更為獨特，雖然在傳動和動力學上具有無可比擬的優(yōu)勢，但是同樣也造成了非簧載質量的增大和電機的特殊轉矩波動問題，在平穩(wěn)性和操穩(wěn)性方面無法與其他類型的傳統(tǒng)車輛相比。所以我國的多所高校和企業(yè)在這一方面對于車輛著重進行了研究。同濟大學使用頻率域傳遞和均方根分析的方法，得出簧載質量的增大是汽車平順性下降的一個主要原因。吉林大學研究得出，簧載質量的增加不僅使車輛的平順性降低，同時輪胎的側向力也因為動載荷均方根值的增大而降低，繼而在穩(wěn)操性方面也對電動車造成了影響。武漢理工大學對于上述兩種結論進行了仿真驗證，證實了兩所大學的研究成果。

對于電機特殊轉矩波動的問題，同濟大學在整個輪邊驅動電動車的研究領域都比較有建樹，在這一方面通過對車輛傳動路徑和輪邊驅動電動車車內噪聲的分析與研究，得出車輛總成振動的主要原因就是電機轉矩脈動形成了車輪軸向力矩波動。東北大學通過對電機徑向力和切向力的分析，得出了激振力與初相角的關系。針對上述問題，我國學者進行了深入的分析與研究，對于電機的設置以及控制方面進行了深入的鉆研，并取得了一定的成果。但是仍然不能徹底解決輪邊驅動電動車平順性和穩(wěn)操性的問題。

3.2 輪邊驅動電動車平順性和操穩(wěn)性的分析與控制

對于這一方面的研究主要分為四個方面，首先要分析非簧載質量對于車輛平順性和操穩(wěn)性的影響，對于如何降低系統(tǒng)的能量消耗和垂向振動負效應進行探討；其次，分析電機垂向激勵對車輛平順性和穩(wěn)操性的影響進行分析，根據(jù)FxLMS算法，對主動懸架控制進行分析，探討如何對車輛垂向振動進行有效的控制；再次，從整體上對電動車的平順性和操穩(wěn)性進行分析，從整體上對于車輛操作的平順性和操穩(wěn)性進行分析與探討，實現(xiàn)對于輪邊驅動電動車的進一步控制。

3.2.1 非簧載質量

非黃載質量主要受到路面的影響，在凸包路面，電動車的垂向加速度、懸架行動程、車輪動載荷都有所增大，車輪的轉彎性和橫向穩(wěn)定性下降，造成了車輛操穩(wěn)性和安全性的下降，同時平順性受到影響。但是當車輛以高速行駛過凸包路面時，平順性有所改善，但是穩(wěn)操性沒有改善。在10Hz低頻正弦路面的影響下，平順性和穩(wěn)操性也會下降。針對這一情況，我們可以采用主動被動聯(lián)合減震控制的方法。根據(jù)車輛的設計，電機定子固連于輪軸，不會隨車輪的轉動而轉動，可以把定子做成中空，安裝減震的裝置，輪轂電機的質量與吸振器的質量就進行了轉換，降低了非簧載的整體質量，同時吸振器可以進行減震，減少了非簧載的負荷壓力。這一裝置與主動懸架天棚-地鉤聯(lián)合使用，可以降低整個頻率內的1/4功率流，削弱了因非簧載質量的增加而造成的電動車平順性和操穩(wěn)性的下降。非簧載質量圖如下：

3.2.2電機垂向激勵

垂向激勵主要對車身的加速度和車輪的動載荷影響較大，兩者的波動加劇，就會引起車輛平順性和穩(wěn)操性的下降。當車輛的速度小于20m/h的時候，車輛的電機垂向性能指標會顯著的增大，當車速在10kn/h時，車身加速和車輪動載和的增大幅度到達了97.6%和111%，對于整個電動車的平順性和穩(wěn)操性造成了極大的破壞。也就是說，在低速行駛的過程中，電機垂向激勵對于車輛的平順性和穩(wěn)操性產生的破壞最大。

這一問題可以通過FxLMS算法的振動主動控制系統(tǒng)進行控制，對控制的信號進行推到，并對控制濾波器進行加權自適應。這一算法使系統(tǒng)不會因為正弦周期信號的激勵頻率發(fā)生顯著的變化，對于電動車輛的穩(wěn)操性和平順性大大加強了。FxLMS算法如下：

y（n）=wT（n）x（n）

yk（n）=s（n）y（n）

e（n）=d（n）+yk（n）

X，（n）=x（n）*^s（n）

W（n+1）=w（n）-2 e（n）x，（n）

運行結構如下圖：

從整體上來說電動車垂向運動、側傾運動、俯仰運動的固有頻率較低，影響車輛的平順性和操穩(wěn)性，這主要是因為電機的垂向激勵頻率與車輛固有頻率的接近會導致車輛的共振，從而使平順性降低。解決問題，可以在FxLMS算法的基礎上，把車身懸架端點和天棚-地鉤控制以及FxLMS控制相結合，控制主動懸架輸出作用力，加強車身的平順性和穩(wěn)操性。

4 結語

在輪邊驅動電動車的平順性和穩(wěn)操性方面，我國各高校以及企業(yè)都在進行研究，很快就能取得突破性的進展，這一研究結果也將對我國的傳統(tǒng)車輛產生一定的沖擊，但是，成本依然會成為車輛發(fā)展的主要限制因素。我們還不能放松，對輪邊驅動電動車進行更加深入的研究。

參考文獻：

[1] 熊璐，余卓平，姜煒，等.基于縱向力分配的輪邊驅動電動汽車穩(wěn)定性控制[J].同濟大學學報： 自然科學版.2010（03）：417-421.

[2] 余卓平，姜煒，張立軍.四輪輪轂電機驅動電動汽車扭矩分配控制[J].同濟大學學報： 自然科學版.2008（08）：1115-1119.

[3] 褚文強，辜承林.電動車用輪轂電機研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].電機與控制應用.2007（04）：1-5.

[4] 余卓平，左建令，陳慧.基于四輪輪邊驅動電動車的路面附著系數(shù)估算方法[J].汽車工程.2007（02）：141-145.

[5] 王玲瓏，黃妙華.輪轂式電動汽車驅動系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].上海汽車.2007（01）：3-6.

[6] 王玲瓏，黃妙華.輪轂式電動汽車驅動系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].北京汽車.2007（01）：35-38.

[7] 寧國寶.電動車輪邊驅動系統(tǒng)的發(fā)展[J].上海汽車.2006（11）：2-6.

[8] 余卓平，左建令，張立軍.路面附著系數(shù)估算技術發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].汽車工程.2006（06）：546-549.

[9] 葛英輝，倪光正.新型電動車電子差速控制策略研究[J].浙江大學學報： 工學版.2005（12）：1973-1978.

[10] 靳立強，王慶年，岳巍強，等.基于四輪獨立驅動電動汽車的動力學仿真模型[J].系統(tǒng)仿真學報.2005（12）：3053-3055.

[11] 譚剛，陳韜，李軍，等.電傳動技術在工程機械中的應用[J].電子測試.2014（13）：88-90.

[12] 賈勇.解析自卸車設計的基本原理[J].科技創(chuàng)新與應用.2014（16）：105.

[13] 滿敏，陳凌珊，何志生.電動汽車動力測試平臺與整車模擬試驗[J].上海工程技術大學學報.2014（01）：30-34.

[14] 吳曉歡，宋珂，章桐.基于ADAMS/Insight的懸架優(yōu)化設計[J].佳木斯大學學報： 自然科學版.2012（01）：33-37.

[15] 姬鵬.基于虛擬樣機的汽車操縱穩(wěn)定性評價分析[J].機械工程與自動化.2009（04）：8-10.

[16] 舒紅宇，馮彧，張偉偉，等.基于虛擬樣機技術的電動代步車平順性研究[J].上海工程技術大學學報.2008（01）：18-21.

[17] 李松焱，閔永軍，王良模，等.輪胎動力學模型的建立與仿真分析[J].南京工程學院學報： 自然科學版.2009（03）：34-38.

[18] 張義民，薛玉春，賀向東，等.基于開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的電動汽車振動研究[J].汽車工程.2007（01）：46-49.

[19] 靳立強，王慶年，宋傳學.四輪獨立驅動電動汽車動力學控制系統(tǒng)仿真[J].吉林大學學報： 工學版.2004（04）：547-553.