基于CarSim的輪轂電機電動汽車整車模型的建立

劉秋生　謝達城　徐曉宇　張元青

摘 要：CarSim軟件作為一款專門針對車輛動力學分析的權威軟件，其在建模過程中考慮了整車運動多自由度，且具有運行穩定、仿真精度高等系列優點。為了降低試驗成本、提升工作效率，在現有的輪轂電機電動汽車實車平臺參數的基礎上，利用CarSim軟件，搭建與實車平臺相匹配的輪轂電機電動汽車整車模型。所建立的仿真模型可為輪轂電機電動汽車整車聯合仿真平臺的搭建做鋪墊，并為后期的控制算法的研究及驗證提供堅實基礎。

關鍵詞：CarSim 輪轂電機電動汽車 整車模型

Establishment of a Complete Vehicle Model of a Wheel Motor Electric Vehicle Based on CarSim

Liu Qiusheng Xie Dacheng? Xu Xiaoyu? Zhang Yuanqing

Abstract：CarSim software is an authoritative software specifically for vehicle dynamics analysis. It takes into account the multiple degrees of freedom of vehicle movement in the modeling process， and has a series of advantages such as stable operation and high simulation accuracy. In order to reduce test costs and improve work efficiency， based on the parameters of the existing wheel motor electric vehicle real vehicle platform， the CarSim software is used to build a wheel hub electric vehicle model that matches the real vehicle platform. The established simulation model can pave the way for the construction of the in-wheel electric vehicle integrated simulation platform， and provide a solid foundation for the later research and verification of the control algorithm.

Key words：CarSim， in-wheel motor electric vehicle， vehicle model

1 引言

近年來，采用輪轂電機獨立驅動的電動汽車因其設計緊湊、結構簡單、動力傳動鏈短、傳動效率高以及控制響應迅速等獨特優勢而備受關注[1]。進一步研究輪轂電機電動汽車的動態特性及控制算法，需要建立一個完整、精確、實用的仿真測試模型作為基礎。從現有的國內外文獻看，大部分仿真模型的建立都是基于MATLAB/Simulink進行軟件編程實現，對整車建模過程做了大量簡化，并未接近實際。而CarSim軟件作為一款專門針對車輛動力學分析的權威軟件，主要用于模擬車輛在駕駛員、空氣動力學以及不同路面輸入的動態響應，同時對車輛行駛過程中的動力性、制動性、經濟性、操穩性以及平順性等方面進行仿真和預測[2]。如圖1所示，整個CarSim軟件主界面由三部分組成，分別是車輛參數與仿真工況的設置、數學模型求解以及結果后處理。

1. 輪轂電機電動汽車實車試驗平臺參數

輪轂電機電動汽車實車試驗平臺作為整車道路試驗以及動力學研究的試驗基礎，其作用不言而喻[3]。目前，大部分研究機構在開發實車平臺時，多以市場主流車型進行綜合改造，本文采用自主設計理念，完成基于簡化車身的整車試驗平臺的模型設計與搭建。整車試驗平臺采用的是鉛酸蓄電池組提供動力源，利用四個輪轂電機進行獨立驅動，采用了獨立懸架結構，加裝了EPS及EHB系統，并設計了獨特的儀表功能，由此真正實現整車驅動行駛的“低噪聲、零排放、高效率”。該平臺前期通過采用三維實體建模軟件CATIA完成整個設計過程并對各總成零件進行匹配、校核，最終得到模型示意圖如圖2。參照整車設計平臺，經過相關部件的市場選型，將其組裝，并進行加工和試驗，最后得到完整的實車平臺如圖3。

為了使整車建模與實車平臺的參數一致，并提高模型的精確性，在CarSim建模的過程中，其所需的車體結構參數以及特性參數均來自輪轂電機實車平臺的實測參數。所以，需要根據上述的實車平臺，完成對其相關結構參數的測量獲取，得到整車的基本參數如表1。除此之外，建模過程中還需用到一些較準確的特性參數，這些參數無法直接通過測量獲得，而需要通過某種方法估算或特殊的測量方法獲取，比如橫擺轉動慣量以及轉向系統的傳動比特性等。考慮到本文對橫擺轉動慣量的精度要求不高，所以通過采用估算方法得到，其估算公式如下式1，其中，、分別為汽車質心前部、后部質量，a、b含義如表1。

汽車轉向系統的傳動比特性的測量則采用特殊的方法獲得，首先使整車狀態固定，慢慢原地轉動方向盤，利用轉角傳感器測出其轉角變化，并測出前輪的轉角變化。通過測到的方向盤轉角以及前輪轉角的數據變化進行擬合，確定兩者之間的非線性關系如圖4所示。

2 基于CarSim的輪轂電機電動汽車整車模型的建立

根據上面所測出的實車平臺參數，完成基于CarSim建立與輪轂電機電動車實車平臺相一致的整車模型。整車模型的建立主要從七個部分進行，分別是車體、空氣動力學、動力系、制動系、轉向系、懸架以及輪胎，如圖5。從這七個組成來看，除動力系統之外，其余系統的建模均與傳統汽車相似或一樣，所以輪轂電機電動汽車的整車建模的重點主要是對動力系統模型的整改。

2.1 車體

在CarSim軟件中進行車體建模時，需要事先確定好車身的有關參數尺寸，如車身質量、轉動慣量、車體的長寬高、質心高度及軸距等，其建模界面如圖6所示，根據界面顯示，只需在相應的表框中輸入相應的參數即可完成。所以，通過將上面測量所獲取的實車平臺參數（既表1數據）輸入至圖6中的相應位置中，CarSim就可自動完成車體的建模，即生成一個完整的并與上面的車平臺相類似的車體模型。

2.2 空氣動力學

考慮到本文及后期的研究重點主要是聯合仿真平臺的建立和相關控制算法的仿真分析，所以暫不考慮空氣動力學特性對車輛的綜合影響，因此在參數設置時均采用默認值。

2.3 動力系統

在對動力系統建模時，CarSim軟件里提供了多種驅動方式及多種功率大小的發動機，但這些設置均是針對傳統的燃油汽車，卻不適用于本文研究的輪轂電機電動汽車[4]。因此，需要將CarSim中的某款傳統汽車整車模型進行大幅改動，將其動力系統進行重置修改，切斷傳動系統與車輪之間的動力傳遞，由內置的發動機驅動改為由外接動力進行驅動，直接由電機轉矩加載到車輪里實現。具體的設置如圖7所示，其余參數的設置均按實車參數標準。另外，為了接下里完成與Simulink的跨平臺聯合仿真，還需對上述CarSim整車模型的輸入輸出接口進行預先定義，接口的正確設置對整個模型的準確性至關重要，尤其對聯合仿真過程的順利與否產生重大影響，表2為具體的接口設置。整個仿真流程示意如圖8。

2.4 制動、轉向系統

在對制動系統建模時，則主要是定義車輛制動系統的相關參數，如制動力矩等。但考慮到本文后期著重研究的是車輛驅動行駛的控制情況，因此，對于其制動系統的建模均采用CarSim里已有車型B-class sports car的默認值。同樣，在對轉向系統進行建模時，采取與實車平臺一致的前輪轉向以及齒輪齒條式轉向機構，其參數設置也以該車型默認值為準。

2.5 懸架系統

本文所設計完成的實車平臺的前后懸架均采用的是獨立式懸架，為了匹配實車，所以在對其懸架建模時也同樣采用獨立式懸架。跟傳統燃油汽車相比，輪轂電機電動汽車的輪轂電機是直接嵌入到輪輞中，這樣就會導致汽車的簧下質量以及車輪轉動慣量明顯增大，所以在對輪轂電機電動汽車的前、后懸架進行建模時，需要相應地更改其非簧載質量及轉動慣量，使其符合實際，改進后的實際值為100kg及0.8kg.m2。另外，將其前懸架模型的參數設置為：車輪外傾角為-1deg，車輪前束為-0.2deg;后懸架模型的參數設置為：車輪外傾角為-1.5deg，車輪前束為0.2deg。

2.6 輪胎

在建立整車輪胎模型時，CarSim軟件提供了內部自帶模型及外部連接模型兩種方式。另外，兩種方式的輪胎模型又有MF輪胎、Swift輪胎、FTire輪胎等。考慮MF輪胎模型涉及的參數較少，各參數物理含義清晰，僅通過一個公式就能準確地表達出輪胎的橫向力、縱向力及回正力矩，從而對輪胎在各種工況下表現的輪胎特性可方便地模擬[5]。所以，本文采用CarSim所提供的“魔術公式”即MF輪胎模型，其公式如下式2，設置界面如圖10。

式中：為輪胎縱向力或橫向力;為車輪縱向滑移率或側偏角;為曲線形狀因子，為峰值因子，為剛度因子，為曲線曲率因子，為曲線垂向漂移。

3 結論

本文在現有的輪轂電機電動汽車實車平臺的基礎上，通過對其結構及特性參數的測量與辨識，利用CarSim軟件，完成對其相關子系統的搭建，從而建立了與實車平臺相匹配相一致的輪轂電機電動汽車整車模型。所建立的仿真模型可為輪轂電機電動汽車整車聯合仿真平臺的搭建做鋪墊，并為后期的控制算法的研究及驗證提供堅實基礎。

基金項目：江西省教育廳科技項目（GJJ181272）;贛州市社會科學研究課題（19107）;贛州市社會科學研究課題（18102）;江西應用技術職業學院重點科技項目（JXYY-KJ-201702）

參考文獻：

[1]劉秋生.輪轂電機電動汽車實車平臺及其驅動控制策略研究[D].成都：西華大學，2016

[2]熊璐，陳晨，馮源.基于Carsim/Simulink 聯合仿真的分布式驅動電動汽車建模[J].系統仿真學報，2014，26（5）：1143-1148.

[3]劉秋生，張元青，徐曉宇，胡勝龍.輪轂電機電動汽車整車試驗平臺的三維建模[J].汽車實用技術，2019（24）：10-11.

[4]白洪濤.基于四輪輪轂電機的純電動汽車驅動控制策略研究[D].長春：吉林大學，2015.

[5]劉秋生，徐延海，陳啟，等. 4WID輪轂電機式電動汽車橫擺穩定性滑模控制研究[J].廣西大學學報自然科學版，2015，40（5）：1080-1091.