輪式驅動電動汽車驅動系統仿真

宋 鵬，薄純娟，徐國凱，張 濤

(大連民族學院機電信息工程學院，遼寧大連116605)

日益嚴重的環境問題和能源危機使百年交通工具——汽車面臨著越來越嚴峻的考驗。電動汽車以電力為主要動力，它可以實現零排放或極低排放，在行駛過程中沒有污染，熱輻射低，噪音小，因而受到廣泛的歡迎。目前，大部分電動汽車的研發主要是對傳統燃油汽車進行動力改造，基于一個動力電動機，通過減速器和差速器驅動兩個(或四個)驅動輪［1-2］。相比傳統電動汽車而言，輪式驅動電動汽車具有車身結構簡單、車身重量輕、傳動效率高的優點，而且可以分別控制每個驅動輪的運行參數，如轉速、轉矩等，輪式驅動電動汽車由于其運動控制、結構布置等方面的優勢，成為電動汽車研究熱點。

1 輪式驅動電動汽車驅動系統

輪式驅動電動汽車驅動系統是一個全新的驅動系統，由電動機直接驅動車輪，省掉了離合器、變速器及傳動軸等傳動環節，消除了傳動中的機械磨損與損耗，提高了傳動效率，相比之下具有較小的體積和較輕的重量，同時故障率降低，且在提高效率的同時，車輪空間也能得到有效利用［3］。輪式驅動電動汽車驅動系統結構圖如圖1。系統取消了差速器和半軸，將行星減速器與電動機制造為一體，稱為電動輪，輪胎直接安裝在電動輪上。電機控制器接收速度給定(踏板)、制動(踏板)、PDRN(停車、倒車、空檔、前進)信號控制電機旋轉，驅動車輪運動。

圖1 驅動系統結構圖

2 數學模型的建立

2.1 電機數學模型的建立

本文選用直流電機作為電動汽車驅動電機，對于直流電機的建模可以由電機的簡易電路圖建立數學方程，假設電機的主電路電流連續，并且磁通量恒定，則可得到如下方程:

式中，R表示電樞回路的電阻，L表示電感，U表示電機兩端電壓，I表示電機回路電流，E表示感應電動勢，n表示轉速，TL表示負載轉矩，Cm表示轉矩電流，GD2表示飛輪力矩。

2.2 輪胎數學模型的建立

輪胎受力如圖2，輪胎力學模型目前仍處于不很精確的狀態，本文采用統一半經驗指數輪胎模型，其方程式如下［4-5］:

式中，a2表示輪胎側偏角;δ表示轉向角，值為零時表示非轉向輪;Ux表示車輪中心的縱向速度;Uy表示車輪中心的側向速度;Vx表示車輪中心的前進速度;Vy表示車輪中心的側向滑移速度;Vs表示相對滑移速度;μ0表示靜摩擦系數取0.8;V0表示速度常數;Sx表示滑轉率;Sy表示相對滑轉率;Kx表示初始相對縱滑剛度;Ky表示相對側滑剛度;Ey表示輪胎力特性參數。

圖2 輪胎受力坐標系

3 建模與仿真

根據上述建模分析，基于MATLAB軟件建立電機仿真模型如圖3，建立輪胎仿真模型如圖4，電機各參數取值見表1。

在輪胎模型中給轉向角加入階躍信號，得到縱向力曲線和側向力曲線如圖5、6所示，由圖中可以看出縱向力曲線逐步增大，最后趨于穩定，側向力曲線由于輪胎的側偏特性出現小幅度振蕩，隨后也趨于穩定。符合車輛從啟動到穩定行駛后輪胎受力值趨于穩定的實際情況。

表1 電機參數取值

圖3 電機模型

圖4 輪胎模型

圖5 縱向力曲線

圖6 側向力曲線

在電機模型中給定一個階躍輸入得到轉矩曲線如圖7，從圖中可以看出轉矩能夠迅速穩定，符合電動汽車轉矩的理想輸出，驅動系統具有較好的動態響應。

圖7 電機轉矩曲線

4 結 語

本文以輪式驅動電動汽車為研究對象，重點研究輪式驅動電動汽車的驅動系統，分析了電機和輪胎的數學模型，使用MATLAB軟件進行動態仿真，根據仿真曲線，可以看出直流電機轉矩輸出符合汽車驅動系統的理想輸出，輪胎模型的輸出滿足電動汽車運行要求。

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［3］章昊秋.輪式驅動電動汽車驅動系統的研究［D］.杭州:浙江大學，2007.

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