雙轉子電機驅動系統對電動汽車操縱穩定性的影響研究*

周斯加 龍江啟 蘇忠根 張 毅

（溫州大學）

1 前言

隨著對雙轉子電機研究的深入，其左、右轉動慣量差異性對電動汽車操縱穩定性尤其是高速操縱穩定性的影響逐步被重視。文獻[1]對雙轉子電機應用于電動汽車的操縱穩定性進行了初步探討，但未考慮地面附著力，也未結合整車模型進行分析。本文著重分析了雙轉子驅動橋對車輛行駛性能的影響，尤其是其不同布置形式對操縱穩定性的影響，總結此種驅動形式在操縱穩定性方面須解決的工程問題，使得其優良特性得以發揮。

2 整車驅動模型建立

以前驅為例對雙轉子電機驅動系統進行簡化，分析模型如圖1所示。利用魔術公式輪胎模型建立整車8自由度運動模型，包括車體縱向、橫向、橫擺、側傾4個自由度，每個車輪各有1個轉動自由度,如圖2所示。

圖1、圖2中，ji是第i個車輪及對應傳動軸的轉動慣量之和；ω1、ω2分別是左、右車輪角速度；Te是電磁轉矩；ip是行星排減速比；m為車身質量；l為軸距；b為質心到后軸的距離；a為質心到前軸的距離；u為縱向前進速度；e是簧載質量質心到側傾中心的距離；h為汽車質心到地面的距離；φ為汽車側傾角；p為汽車側傾角速度；Ixs、Ixzs分別為汽車簧載質量繞車輛坐標系x軸和x、z軸的轉動慣量；Fxi（i=1，…，4）、Fyi（i=1，…，4）為第 i個車輪在其輪胎坐標x、y 方向上的力；Mzi（i=1，…，4）為第 i個車輪在其輪胎坐標系下的回正力矩。

根據達朗貝爾原理，x方向的力平衡方程為：

y方向的力平衡方程為：

繞z軸力矩平衡方程為：

繞x軸力矩平衡方程為：

此外：φ˙=P

由于雙轉子電機運行時內、外轉子相向轉動，所以配置的行星減速器連接方式略不同。轉子通常與太陽輪連接，一側的行星架固定，齒圈輸出；另一側的齒圈固定，行星架輸出，但兩側減速比相同，以達到對內、外轉子換向減速輸出的目的。

3 驅動橋布置形式對操縱穩定性的影響分析

文獻[1]主要討論了雙轉子電機驅動橋自身的驅動特性，在變負載、變工況路面上，驅動橋可以很好地完成驅動、差速功能，但對于整車操縱性能的影響還不能確定。本文通過仿真方法分析驅動橋驅動特性對整車操縱穩定性的影響，雙轉子驅動電動汽車主要參數設置如表1所列。

3.1 高速加速工況分析

車輛在變速行駛時由于雙轉子電機內、外轉子轉動慣量差異引起的非穩定性會對車輛行駛造成不利影響。高速加速工況是模擬車輛在高速行駛時繼續加速超車的情況，車輛初始速度為20 m/s，經過15 s加速至30 m/s后維持車速恒定，隨后觀察橫擺角速度、側向速度以及側向位移等參數。仿真結果如圖3～圖8所示。

表1 雙轉子驅動電動汽車主要參數設置

通過圖3～圖8分析可知，驅動橋前、后驅動形式對車輛加速過程中的側向穩定性影響非常接近，且前驅車型較后驅車型各參數變化幅度都較小。在沒有駕駛員轉向修正的情況下車輛出現了橫擺角速度、側向車速以及側向位移不為零的情況，這是由驅動橋左、右半軸以及雙轉子電機內、外轉子轉動慣量差異造成。雙轉子電機外轉子的轉動慣量大于內轉子的轉動慣量，在受到同樣電磁轉矩推動的情況下，轉動慣量大的一側半軸必然產生較小的角加速度，即變化更加遲緩。從仿真結果的變化趨勢來看，隨著加速度的增加 （可以通過左右側車輪路面滑轉率得到），不穩定性也隨之增大。當車輛進入勻速行駛階段后，由于這種差異性造成的不穩定性迅速消失。以變化較大的后驅汽車為例，在車輛行駛30 s末，縱向位移為825 m，此時側向位移僅為0.094 m，由于轉動慣量差異造成的跑偏量為0.011%，遠小于普通車輛平均0.4%～0.5%的水平。

3.2 低速加速工況分析

從車輛靜止開始分別采用驅動橋前驅、后驅和四驅3種方式對車輛進行加速工況仿真，在10 s末車輛加速至20 m/s，隨后觀察橫擺角速度、側向速度以及側向行駛位移等整車行駛參數，如圖9～圖13所示。

設定低速加速工況仿真時的加速度約為高速時的3.3倍，在受到比高速時更大的電磁轉矩推動作用下，兩側車輪的加速性差異也較高速時更加明顯。通過分析圖9～圖13可知，從側向速度、橫擺角速度兩項指標來看，高速工況下的側向穩定性要略好于低速工況，如高速時側向速度最大值只有低速時的74%，高速時橫擺角速度最大值只有低速時的43%，但由于高速下對側向位移積累效應較大，所以高速時側向位移比低速時偏大。

4 利用四驅方式減少轉動慣量差異造成的不良影響

仿真結果表明，驅動橋前置或后置，轉動慣量差異對車輛性能的影響同向，因此可以通過四驅形式在前后軸交叉使用轉動慣量較大側的驅動橋來減小因為這種差異所造成的不穩定因素。在高速加速工況下，通過前、后驅動橋轉動慣量大小側交叉分布的四驅車型來減少這種不良影響，仿真結果如圖14～圖18所示。

通過分析圖14～圖18可知，從縱向加速性能來看，后驅車型與四驅車型幾乎無差別。從側向穩定性指標來看，由于每一個驅動橋的側向不穩定因素都受到另一個驅動橋的反向抑制作用，所以四驅車型側向運動各參數變化幅度都大幅減小，行駛穩定性提高明顯。從整車來看，前驅動橋內轉子連接右側車輪，產生了一個繞z軸逆時針方向的橫擺力矩，而從后軸數據來看則剛好是產生一個繞z軸順時針方向的橫擺力矩，兩個橫擺力矩相互抵消是四驅車型側向穩定性更好的原因。在橫擺角速度、側向速度和側向位移3項指標中，四驅車型較前驅車型在側向穩定性方面有顯著提高，如在30 s仿真過程中，四驅車型的側向速度最大值只有前驅車型的6.88%，而橫擺角速度最大值只有前驅車型的11.2%，縱向位移最大值為前驅車型的10.4%。

5 結束語

討論了雙轉子驅動橋前驅、后驅等布置形式對車輛側向穩定性的影響，并得到如下結論：

a.在高速工況下，雙轉子電機驅動橋前置時對側向穩定性的影響小于驅動橋后置。

b. 無論高速、低速工況，驅動橋對車輛側向穩定性的影響非常微弱。

c. 對于電動四驅車型，完全可以通過前、后驅動橋交叉布置轉動慣量較大的外轉子以達到縮小由于轉動慣量差異造成的對側向行駛性能的影響。

d. 在設計驅動橋過程中，可通過調整附屬連接部件以及加裝配重等方法盡量使兩側轉動慣量趨于一致。

1 羅玉濤，曠鵬，劉延偉.對轉雙轉子電機在電動汽車上的驅動特性.華南理工大學學報（自然科學版）,2008（2）:7～12.

2 羅玉濤，黃向東，周斯加，等.一種車用多功能電磁差速系統.中國專利，200510100281.9.2005－10－4.

3 羅玉濤，黃向東，周斯加，等.一種油－電混合動力汽車的多橋驅動系統.中國專利，20061003386.5.2006－2－27.

4 周斯加，羅玉濤，黃向東，等.基于自適應濾波的電動汽車縱向滑移率識別方法.交通與計算機，2007（3）:70～74.

5 寇發榮，馬建.超車工況下高速客車操縱穩定性仿真與試驗研究.汽車技術，2006（4）:24～27.

（責任編輯 簾 青）