四輪獨立驅動電動汽車性能仿真方法研究

趙華慧　黃兆飛　楊鎮瑜

摘 要：四輪獨立驅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展方向，而對整車性能進行仿真分析可以有效地縮短研發時間和成本。本文首先建立了四輪獨立驅動電動汽車的動力學模型，然后根據動力學模型，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，但其仿真結果的準確性取決于動力學模型的準確程度。

關鍵詞：四輪獨立驅動;性能仿真;MATLAB;CRUISE

1 前言

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

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

因此，本文以一款四輪獨立驅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，然后根據動力學模型，采用行業內常用的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劣， 為四輪獨立驅動電動汽車的發展提供一定的理論支撐。

2 四輪獨立驅動電動汽車動力學模型

汽車的行駛系統是一個十分復雜的系統，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），電機的參數如表1所示。

根據電機的輸出扭矩曲線，擬合出的電機輸出扭矩為：

式中，Tm為電機轉矩（N·m）;nm為電機轉速（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，Fp2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

由驅動力和行駛阻力的平衡關系，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;i為汽車的爬坡度;為汽車旋轉質量換算系數。

3 四輪獨立驅動電動汽車動力性能仿真分析

為了建立行業通用的四輪獨立驅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基礎上研發的一款用于汽車仿真的軟件，主要用于車輛的動力性、燃油經濟性和排放性的仿真分析[1]。這款軟件由于其模塊化的設計，廣泛受到車輛企業和高校的青睞。

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：

仿真結果如圖6所示：

4 結論

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，應該根據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）;四川省大學生創新創業訓練計劃（S201911116076）

參考文獻：

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

[2]劉經文.四輪獨立電動車驅動_轉向_制動穩定性集成控制算法研究[D].長春：吉林大學，2012.

[3]蔣造云.四驅電動汽車穩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：機械工業出版社，2009：21.