分布式電動汽車操縱穩定性仿真分析

（上海工程技術大學，上海 201620）

0 引言

汽車的操縱穩定性主要包括穩定性和操縱性，兩者互相影響。另外穩定性主要是由橫向穩定性和縱向穩定性組成的[1]。汽車的操縱穩定主要是由地面和輪胎間的力決定，包括側向力、縱向力以及垂直載荷[2]。當輪胎與路面間的側向力達到附著極限會引起輪胎的側滑，當輪胎與路面間的縱向力達到附著系數時將引起輪胎打滑現象。采用輪轂電機驅動式電動汽車，其主要有以下結構特點：1）簧下質量增加，簧下質量的增加將會間接的引起路面不平下車輪振動幅度加大，使得輪胎的接地性變差；2）轉向系轉動慣量增加，使得方向盤的輸入響應變差，回正性能變差；3）整車質量的分布變化，使得影響前后懸架偏頻和振動特性、轉向特性變化和橫擺響應變化；4）輪轂電機力矩波動及控制精度，使得方矩波動引起車輛振動和左右車輪力矩誤差引起附加橫擺運動。另外輪轂電機式驅動電動汽車的結構使得主銷偏距增加從而使得電動汽車的穩定性變差[3]。輪轂電機式電動汽車與傳統汽車相比少了減震器、差速器和傳動軸等機械零件，直接通過控制輪轂電機控制電動汽車的行駛狀態。且該結構使得電動汽車更加的微型化和輕量化[4]。本文利用carsim軟件，將傳統汽車的發動機驅動修改為輪轂電機驅動模型。

1 Carsim軟件簡介

Carsim軟件通過對其系統的參數設置，可以有效的模擬各種現實工況。仿真實驗所需的仿真工況可以根據作者的需要進行自定義設置。Carsim主要是針對汽車的動力學系統進行仿真分析，如汽車的平順性、操縱穩定性、制動性等。該軟件主要有仿真精度高、仿真高效快捷且具有較好的擴展性[5]。Carsim主界面如圖1所示。

圖1 carsim控制界面示意圖

2 輪轂電機式電動汽車模型建模

2.1 輪轂電機模型

電動汽車采用無刷直流電機，作為動力源。根據無刷直流電機建模理論方法，建立輪轂電機模型。輪轂電機的轉子采用內轉子機構，定子繞組為集中整距繞組，霍爾元件對稱布置且每個霍爾元件相隔120°。為了獲得理想電機模型。需要對電機做簡化：1）不計電樞反應，氣隙磁場分布為平頂寬度120°的梯形波；2）不計渦流損耗和磁滯損耗；3）忽略電機鐵芯飽和；4）驅動系統逆變電路的功率管和續流二級管均具有理想的開關特性[6]。輪轂電機電壓方程如下所示。

公式中：M為相繞組互感；L為相繞組自感；eC-C相反電勢；eB-B相反電勢；eA-A相反電勢；iC-C相電流；iB-B相電流；iA-A相電流；uC-C相繞組電壓uB-B相繞組電壓；uA-A相繞組電壓；Te為電磁轉矩；?為電機機械加速度；Te為電磁轉矩；J為轉子轉動慣量；Bv為黏滯摩擦系數。

圖2 電機模型圖

圖中：T_obj為為目標力矩；K_t為力矩驅動系數；Rotation-speed-為車輪轉速；Torque-為輸出力矩。

2.2 輪胎模型

輪胎是電動汽車的重要部件。輪胎的主要作用有如下四點：

支撐整車的重量；

與懸架元件共同作用，衰減由路面不平引起的振動和沖擊；

傳遞縱向力，以實現驅動和制動；

傳遞側向力，以使車輛轉向并保證行駛穩定性。

車輪在路面行駛產生車輪滾動阻力，滾動輪胎產生的阻力主要有滾動阻力分量、道路阻力分量和輪胎側偏阻力分量[7]。該輪胎模型是采用魔術公式建立的，在輪胎參數修改界面上輸入有效的滾動半徑、自由半徑和輪胎的最大載荷等參數確定仿真輪胎[8]。

圖3 輪胎參數修改界面

2.3 懸架模型建立

懸架系統模型主要包括懸架C特性和懸架K特性。懸架C特性主要對彈簧的阻尼、限位塊的剛度、減震器和輪跳的關系等參數設置。懸架K特性主要對非簧載質量、轉動慣量、前輪外傾角、前輪前束角以及彈簧的剛度等參數設置[9,10]如圖3、圖4所示。

圖4 懸架C特性顯示界面

圖5 懸架K特性顯示界面

2.4 整車模型建立

Carsim是針對特性參數的車輛動力學仿真軟件。建立整車模型主要是對動力系統，懸架系統、轉系系統、輪胎、車體、制動系統參數化設置。仿真車輛如圖6所示。通過Carsim與Simulink聯合仿真可以有效的提高仿真的速度[11,12]。如圖7所示為輪轂電機電動汽車整車模型。

圖6 仿真車輛

表1 整車部分參數表

圖7 輪轂電機電動汽車整車模型

3 仿真分析

根據標準的雙移線實驗工況進行仿真實驗，設定速度為80km/h，路面附著系數為0.45。將輪轂電機驅動電動汽車和傳統汽車進行對比分析。

3.1 非簧載質量對操縱穩定性的影響

圖8 橫擺角速度對比曲線

由圖8可以看出輪轂電機驅動電動汽車的橫擺角速度的峰值有所減少，其兩條曲線橫擺角速度與時間的變化趨勢基本是一致的，從而可以看出非簧載質量（即電機質量）對輪轂電機驅動電動汽車的操縱穩定性，影響不大。

圖9 側向加速度對比曲線

由圖9可以看出傳統汽車和輪轂電機電動汽車的側向加速度曲線變化不是非常明顯，輪轂電機驅動電動汽車的側向加速度的峰值有一定的減少。主要是因為輪轂電機驅動電動汽車其非簧載質量較大，從而增加垂直方向上垂向力，間接的增加了其靜摩擦力。綜上所述，輪轂電機驅動電動汽車對汽車的側向加速度影響不大。

圖10 質心側偏角對比曲線

由圖10可以看出傳統汽車和輪轂電機驅動電動汽車的質心側偏角變化趨勢大體不變。輪轂電機驅動電動汽車的質心側偏角的峰值有所增加，這不利于輪轂電機驅動電動汽車操縱穩定性，容易使汽車發生跑偏。當輪轂電機驅動電動汽車在高速行駛時，有可能導致汽車翻車。

3.2 行駛速度對操縱穩定性的影響

分別根據不同的行駛速度對輪轂電機驅動電動汽車進行仿真實驗。以下給出了80km/h、100km/h、120km/h的行駛速度對輪轂電機驅動電動汽車的質心側偏角、側向加速度和橫擺角速度的影響。

由圖11看出隨著速度的不斷增大，輪轂電機驅動電動汽車的橫擺加速度的峰值有所增大。從而可以看出行駛速度使得輪轂電機驅動電動汽車的橫擺角度增加。

圖11 橫擺角速度與行駛速度曲線

圖12 側向加速度與行駛速度曲線

由圖12看出隨著速度的不斷增大，輪轂電機驅動電動汽車的側向加速度的有一定的增加，增加的變化范圍不是非常大，對輪轂電機驅動電動汽車的操縱穩定性影響不是很大。

圖13 質心側偏角與行駛速度曲線

由圖13可以看出輪轂電機驅動電動汽車的行駛速度對其質心側偏角影響不大。

3.3 路面附著系數對操縱穩定性的影響

分別根據不同的路面附著系數對輪轂電機驅動電動汽車進行仿真實驗。以下給出了附著系數u=0.45、0.65、0.85三個附著系數對輪轂電機驅動電動汽車的質心側偏角、側向加速度和橫擺角速度的影響。

圖14 橫擺角速度與附著系數曲線

圖15 側向加速度與附著系數曲線

圖16 質心側偏角與附著系數曲線

由圖14～圖16可以看出路面附著系數越大，輪轂電機驅動電動汽車的橫擺角速度、側向加速度和質心側偏角的峰值有所減少，但減少不大，所以對輪轂電機驅動電動汽車的操縱穩定性，影響不大。

4 結論

1）搭建的輪轂電機驅動電動汽車模型可以為以后的優化控制算法提供理論基礎。

2）輪轂電機驅動電動汽車的操縱穩定性受路面附著系數、行駛速度和非簧載質量等參數影響。其中非簧載質量會破壞輪轂電機驅動電動汽車的操縱穩定性。

3）搭建的輪轂電機模型具有較好的響應特性。