分布式驅動電動汽車電子差速仿真研究

王棟梁，茹強，趙軒

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

分布式驅動電動汽車電子差速仿真研究

王棟梁，茹強，趙軒

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

文章針對前輪獨立驅動電動汽車轉向電子差速控制策略進行研究，建立了分布式驅動電動汽車低速轉向時，驅動輪轉速滿足阿克曼轉向原理為目標的電子差速策略。基于Matlab/Simulink和Carsim建立了分布式驅動電動汽車聯合仿真實驗平臺。仿真分析驗證了低速轉向電子差速控制策略的有效性。

分布式驅動；電子差速；電動汽車；Carsim

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-23-03

引言

基于電動汽車動力源結構形式的不同，電動汽車可以分為單一動力源集中式驅動以及多動力源分布式驅動[2]。分布式驅動電動汽車的驅動輪轉矩和轉速均可獨立控制，使得相比集中式驅動電動汽車，分布式驅動電動汽車的驅動系統效率更優，更加利于整車布置，動力學響應的速度更快。然而，分布式驅動電動汽車處于轉向以及不平路面行駛工況時，機械差速器能夠實現兩側驅動車輪不發生過度滑移或者滑轉，由于分布式驅動電動汽車沒有機械差速器，因此需要通過電子差速策略實現兩側驅動電機之間協調工作[4]。本文針對分布式驅動電動汽車，制定了低速轉向時驅動輪轉速滿足阿克曼轉向原理為目標的電子差速控制策略，并基于Matlab/ Carsim的聯合仿真實驗平臺，驗證了低速轉向電子差速控制策略的有效性。

1、分布式驅動電動汽車結構

分布式驅動電動汽車的概念是與集中式相對而言的，是按照動力系統布局形式將電動汽車歸為這兩大類的。集中式電動汽車采用單電機集中驅動形式，即汽車傳統的通用的結構，將動力由電機、離合器、變速箱、傳動軸、差速器、半軸傳遞給驅動輪，這與傳統內燃機汽車的動力系統區別不大。而分布式驅動電動汽車采用多個電機（兩個或兩個以上）分布在車輪旁邊或內部，每個電機通過各自的減速器及傳動半軸或直接將動力傳遞給不同驅動輪。多電機分布式布局使得電動汽車的驅動系統模式產生了根本變化，形成電動汽車獨特的驅動系統。根據分布式驅動電動汽車驅動電機安裝位置不同可以分為輪邊驅動式以及輪轂驅動式；根據驅動輪數目不同又可以分為兩輪驅動以及四輪驅動。本文研究前輪輪轂電機驅動汽車結構示意圖如圖1所示。

2、低速轉向差速分析與控制策略

2.1 低速轉向差速分析

圖2為車輛低速轉向時，忽略車輪側偏、輪荷和軸荷轉移以及車輪滑移等因素之后，根據阿克曼轉向原理各車輪瞬態轉速關系可以表示為：

式（1）中，VP為前軸中點P處速度，Vfl為左前輪固結于車輪中心處速度；Vfr為右前輪固結于車輪中心處速度；Vrl為左后輪固結于車輪中心處速度；Vrr為右后輪固結于車輪中心處速度；wfl為左前輪轉速；wfr為右前輪轉速；wrl為左后輪轉速；wrr為右后輪轉速；Rfl為左前輪瞬態轉向半徑；Rfr為右前輪瞬態轉向半徑；Rrl為左后輪瞬態轉向半徑；Rrr為右后輪瞬態轉向半徑；RP為前軸中點P處瞬態轉向半徑。

根據轉向幾何學關系，可知各車輪以及前軸中點P處的瞬態轉向半徑為：

式（2）中，L為車輛軸距；L1為車輛質心至前軸距離；L2為車輛質心至后軸距離；W為車輛輪距；θ為車輛前軸中點P處轉向角；θin為車輛左前輪轉向角；θout為車輛右前輪轉向角。

2.2 低速電子差速控制策略

以雙電機前輪驅動汽車為例，本文提出轉向時電子差速控制策略如圖3所示，其中左、右驅動輪需求轉速根據圖2轉向阿克曼原理幾何關系以及式（1）、式（2）計算獲得，當前文獻的控制算法主要有PI和神經網絡PID控制算法。

圖2 車輛低速轉向示意圖

圖3 低速電子差速控制策略

3、Matlab/Carsim聯合仿真平臺

3.1 仿真平臺結構

Carsim是一款面向特性的參數化建模汽車動力學仿真軟件，建立于美國密西根大學運輸研究中心30多年的理論和實踐經驗之上。該軟件能夠較為真實反應車輛在不同駕駛員輸入以及車輛行駛環境輸入下的動態響應過程，同時它還可以實現與其他仿真軟件（如Cruise，Matlab）之間的聯合仿真。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以針對動態系統的特點進行不同的仿真、分析，并通過調整系統參數以提高系統的性能，進而達到最佳的仿真結果，提高系統的開發效率。本文結合Matlab/Simulink控制策略建模的優勢以及Carsim車輛模型建模優勢，建立了如圖4所示的分布式驅動電動汽車聯合仿真平臺。

Carsim車輛模型是將車輛抽象簡化為10個部分：1個車體部分、4個簧下質量部分、4個旋轉車輪部分和一個發動機曲軸部分。簡化后的模型包括27個自由度：3個簧載質量的移動自由度（X，Y，Z）、4個非簧載質量自由度、4個車輪旋轉自由度、1個傳動系旋轉自由度、8個輪胎瞬態特性自由度和4個制動壓力自由度。具體可以包括車體、空氣動力學、傳動總成、制動系、轉向系、輪胎和懸架七大子系統。

圖4 分布式驅動汽車聯合仿真平臺結構

3.2 輸入與輸出參數配置

實現Carsim/Simulink聯合仿真之前，需要對Carsim輸入與輸出模塊接口進行正確的配置。本文的分布式驅動電動汽車的輸入與輸出模塊接口參數配置如表1所示。

表1 Carsim輸入與輸出模塊接口參數配置

4、仿真分析

圖5 驅動輪滑移率

圖6 驅動輪縱向速度

圖5為車輛勻速30km/h，階躍工況下的驅動輪滑移率變化曲線，從圖中可以看出階躍工況下，驅動輪滑移率沒有出現過度滑移與滑轉，均處于穩定區域。從圖6可見，轉向行駛時，根據阿克曼轉向基本原理，左右側驅動輪目標控制轉速不同，同時可見，當由于轉向行駛，使得驅動輪左右側驅動輪載荷不同，所對應的驅動輪滑移率不一致。

5、結論

針對分布式驅動電動汽車低速轉向行駛時，制定了以驅動輪轉速為控制目標的電子差速控制策略，結合Carsim和Matlab的仿真建模優勢，建立了分布式驅動電動汽車聯合仿真平臺，基于階躍工況仿真分析，驗證了低速轉向電子差速控制策略的有效性。

[1] 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+1155.

[2] 嚴運兵,彭思侖.后驅電動輪汽車電子差速控制影響因素分析[J].汽車工程.2014,36(2):210-215.

[3] 陳東,徐寅,梁華軍.雙電機后輪驅動混合動力汽車電子差速控制的研究[J].汽車工程.2013,35(1):46-50.

[4] Haddoun A, Benbouzid MEH, Diallo D, et al. Design and implementation of an electric differential for traction application[C]. 2010 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. Lille, France: IEEE Computer Society,2010:1-6.

Electronic Differential Simulation Research on Distributed Driving Electric Vehicle

Wang Dongliang, Ru Qiang, Zhao Xuan
( University of changan automobile institute, Shaanxi Xi'an 710064 )

A In this paper, the steering differential control strategy of the electric vehicle with front wheels driven independently was studied and when the distributed driving electric vehicle was at a low steering speed, an electronic differential strategy was established, the goal of which was that the speed of driving wheels meet Ackerman principle. Based on Matlab/Simulink and Carsim, a distributed driving electric vehicle simulation test platform was established. Simulation results showed the effectiveness of the electronic differential control strategy with a low steering speed.

electric vehicle; distributed driving; electronic differential; Carsim

U469.7

A

A1671-7988(2017)01-23-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.010

王棟梁（1989-），男，研究生，就讀于長安大學汽車學院，研究方向為新能源汽車。