四輪輪轂電機驅動電動汽車建模與聯合仿真

葛平淑，張 濤，趙秀春，崔艷秋

(大連民族大學 a.機電工程學院 b.信息與通信工程學院,遼寧 大連 116605)

四輪輪轂電機驅動電動汽車建模與聯合仿真

葛平淑a，張 濤a，趙秀春a，崔艷秋b

(大連民族大學 a.機電工程學院 b.信息與通信工程學院,遼寧 大連 116605)

利用Carsim和Matlab/Simulink搭建駕駛員閉環控制的四輪輪轂電機獨立驅動電動汽車仿真模型；根據輪轂電機驅動電動汽車特點，建立輪轂電機模型、速度控制模型和整車模型；設計橫擺力矩控制器和力矩分配控制策略，實現聯合仿真的接口設置；最后利用雙移線工況驗證了所開發模型的正確性和轉矩分配策略的有效性。

輪轂電機；電動汽車；模型；轉矩分配；聯合仿真

Abstract:To develop stability control algorithm and torque distribution strategy, a simulation model of in-wheel-motor-driven electric vehicles with closed-loop control of driver was established based on co-simulation of Carsim and Matlab/Simuink. According to the characteristics of in-wheel-motor-driven electric vehicles, the in-wheel-motor model, driver speed control model and the vehicle model was established respectively. The yaw moment controller and the torque distribution strategy were designed based on slide control theory, and the interface of co-simulation was set. Finally, the performance of the model and the torque distribution strategy were evaluated by double lane change test.

Keywords:in-wheel-motor; electric vehicle; model; torque distribution; co-simulation

四輪輪轂電機獨立驅動電動汽車是當前國內外純電動汽車領域研究的熱點之一，其主要結構特征是將動力驅動電機直接安裝在驅動輪內，具有輸出力矩獨立可控、傳動效率高、結構緊湊等優點。與傳統內燃機汽車相比，四輪輪轂電機驅動電動汽車的動力輸出可以單獨控制，其各車輪轉矩可在電機能力范圍內按照任意比例分配，實現滑移率和橫擺力矩的控制。在動力性、穩定性及安全性方面具有更大的技術潛力[1-2]，可以顯著提高其適應惡劣道路環境的通過能力，其獨特的驅動方式和巨大的發展潛力受到廣泛研究和關注。

由于四輪轂電機驅動電動汽車獨特的技術特點，一些在傳統內燃機汽車上開發成熟、應用廣泛的汽車安全和智能控制技術并不能直接應用在該類型電動汽車上[3-4]。為了實現對四輪輪轂電機獨立驅動電動汽車的穩定控制和轉矩分配策略的研究，有必要建立能夠真實地反映其運行狀態的仿真模型，從而實現對所開發算法的仿真與驗證，減少前期研究開發的時間和費用。靳立強等[5]利用Simulink建立了考慮汽車垂向運動的18個自由度四輪獨立驅動電動汽車的動力學仿真模型，便于開展四輪獨立驅動電動汽車動力學控制研究；宗長富等[6]利用Simulink搭建了四輪驅動/四輪獨立轉向的電動汽車仿真模型，但該模型沒有考慮汽車的垂向運動且對車輛運動模型的簡化較大，仿真工況設置復雜。為了更好地體現車輛的真實運動狀態，研究人員采用系統建模軟件與汽車動力學仿真軟件進行聯合仿真的方式開展相應研究，其中Carsim汽車動力學仿真軟件能全面反映汽車縱向、側向和垂向的動力學特性，方便構建快速原型和硬件在回路的仿真。熊璐等[7]基于Carsim/Simulink開發了分布式驅動電動汽車動力學仿真模塊；馬高峰等[8]采用Carsim/Simulink聯合仿真的方式建立四輪輪轂電機電動汽車仿真模型。但上述模型在建立過程中都未能充分考慮駕駛員控制模型的影響，且未給出各輪的力矩分配策略來驗證所建立模型的有效性。

針對上述問題，根據四輪轂電機驅動電動汽車特點，結合Carsim傳統內燃機汽車動力學仿真建模方法，在Simulink中建立輪轂電機模型、駕駛員控制模型，實現Simulink和Carsim對四輪轂電機獨立驅動電動汽車的聯合仿真，并設計橫擺力矩控制器和力矩分配控制策略，用于驗證仿真模型的正確性和可行性。

1 四輪轂電機驅動電動汽車模型

1.1 輪轂電機建模

采取轉矩控制的方式可以直接控制輪胎與地面間的作用力，更利于實現汽車的牽引力、滑移率和橫擺力矩等控制。因此本文采用直接轉矩控制的方式對輪轂電機進行建模，運用查表的方式使得輸出力矩滿足電機外部特性的要求。電機實際輸出力矩與輸入力矩指令之間的關系可簡化為傳遞函數：

式中，Tm表示輪轂電機實際輸出力矩；Tmd為控制器輸入電機的指令轉矩即期望轉矩；ξ為電機常數，由電機自身的特性決定。

輪轂電機峰值轉矩特性圖如圖1，在Simulink中建立輪轂電機模型如圖2。

圖1 輪轂電機轉矩特性圖

圖2 輪轂電機模型圖

1.2 Carsim傳統內燃機汽車模型改進

Carsim是一款商用汽車動力學仿真軟件，其建模方式為參數化建模，它提供的傳動系統僅僅針對傳統汽車，并沒有四輪輪轂電機獨立驅動結構。為實現對四輪輪轂電機獨立驅動電動汽車的Carsim與Simulink聯合仿真，需要對Carsim中的傳動系統進行修改。本文選取Carsim中的D級SUV車型，保留原有轉向、制動、懸架系統和輪胎模型，對其傳動系統進行修改。將發動機、變速器、差速器改為外部輸入形式，中斷傳動系與車輪之間的所有動力傳輸，將Simulink中電機模型的輸入力矩直接作用于四個車輪上，改進示意圖如圖3。

圖3 Carsim傳動系改進示意圖

1.3 速度控制建模

由于所建立的仿真模型的動力來源于四個車輪的輪轂電機，因此Carsim自帶的駕駛員速度控制模型不適用于四輪輪轂電機電動汽車，需要重新進行設計和修改。采用Simulink建立外部駕駛員速度控制模型和Carsim自帶的駕駛員軌跡跟蹤模型，駕駛員速度控制模型如圖4。

圖4 速度控制模型

其工作思路為：將理想車速與實際車速的差值輸入到PID控制器，PID控制器輸出電子節氣門開度；然后將電子節氣門的開度輸入到提前編制好的電子節氣門工作特性圖，進行查表，輸出當前節氣門開度下對應的輸出力矩；輸出力矩作用到四輪輪轂電機獨立驅動電動汽車上，從而實現對其速度的調節。

1.4 橫擺力矩控制器建模

利用滑模變結構控制的方法設計橫擺力矩控制器，這種控制算法已在傳統車上得到驗證[9]，橫擺力矩控制器產生理想的橫擺力矩來控制汽車的橫擺運動。設計的滑模面和滑模條件為

s=γ-γd；

(2)

(3)

理想的橫擺力矩

(4)

式中，Iz為汽車轉動慣量；K為滑?？刂破鲄担沪膄為前輪轉角；Fy1,Fy2,Fy3,Fy4分別為左前輪、右前輪、左后輪、右后輪所受到的側向力；lf為前軸到質心的距離；lr為后軸到質心的距離；γ為實際的橫擺角速度；γd為理想的橫擺角速度。

1.5 力矩分配策略

假設同側驅動輪的驅動力矩始終相同。當橫擺力矩控制器不工作時，駕駛員的輸入力矩平均分配到四個車輪；當橫擺力矩控制器工作時，通過調整兩側車輪的力矩差值來達到產生理想橫擺力矩的目的。

當橫擺力矩控制器不工作時，四個車輪的驅動力矩相同，用公式表示為

(5)

式中，T1,T2,T3,T4分別為四個輪轂電機的輸出轉矩；Tdriver為駕駛員輸入的力矩指令。

當橫擺力矩控制器工作時，假設橫擺力矩控制器計算所得的理想橫擺力矩Mdesire，同軸左右車輪的力矩差值ΔT=Tright-Tleft，汽車輪距為lw，四個車輪的工作半徑為r。車輪間力矩差值產生的橫擺力矩等于橫擺力矩控制器產生的橫擺力矩，可表示為

(6)

選擇Mdesire/4為基準力矩，在基準力矩的基礎上對四個車輪的力矩進行調整，使得四個車輪既能滿足駕駛員要求的驅動力矩，又能產生需要的力矩差值，調整公式為

(7)

(8)

2 基于Carsim和Simulink的聯合仿真

2.1 輸入輸出接口設置

為了實現Carsim與Simulink的聯合仿真，接口設置是必不可少的環節。Carsim中通過外部加載車輪轉矩的方案有兩種，分別是輪轂電機驅動方案和輪邊電機驅動方案[7]，其輸入接口設置分別為IMP_MYUSM_L1和IMP_MY_OUT_D1_L。在Carsim中，IMP_MYUSM_L1的定義為來自非簧載質量作用到車輪的力矩；IMP_MY_OUT_D1_L的定義為來自差速器的作用到車輪的力矩(通過半軸輸入到車輪)。為了實現四輪轂電機獨立驅動電動汽車的仿真，選擇第一種輸入接口設置方法。此外，Carsim模型需要將車速和四個車輪的速度反饋到Simulink中的駕駛員速度控制模型和電機模型。輸入輸出接口設置見表1。

表1 輸入輸出接口設置表

在Simulink中搭建駕駛員速度控制模型、四個輪轂電機模型以及力矩分配策略模型。輪轂電機根據力矩分配策略輸出力矩到Carsim中的四個車輪，同時Carsim將車速信號、車輪轉速信號以及控制器需要的其他信號輸送到Simulink中，這就形成了完整的駕駛員閉環控制的四輪輪轂電機獨立驅動電動汽車仿真模型。

2.2 整體模型的建立

基于前面對輪轂電機模型、駕駛員速度控制模型以及傳動系模型的分析，建立整車仿真模型如圖5。

圖5 聯合仿真框圖

3 典型工況仿真分析

為了驗證仿真模型的正確性和可行性，對所開發的四輪輪轂電機電動汽車模型進行典型工況的仿真分析，整車參數設置見表2。

表2 汽車模型仿真參數

3.1 仿真工況設置

雙移線工況是驗證汽車穩定性的典型工況，利用該仿真工況可以綜合驗證所建立聯合仿真模型的動力性和操縱的穩定性。地面摩擦系數為0.5，汽車在進入入口前以恒定的車速65km·h-1的速度向前行駛，進入入口后駕駛員始終保持車速不變，行駛軌跡如圖6。

圖6 雙移線工況汽車軌跡圖

3.2 仿真結果及分析

雙移線工況下基于Carsim與Simulink聯合仿真的四輪輪轂電機獨立驅動電動汽車的響應特性曲線如圖7，包括：汽車目標軌跡與實際軌跡對比圖、目標車速與實際車速對比圖、理想橫擺角速度與實際橫擺角速度對比圖以及汽車實際輸出的質心側偏角變化圖。

(a)目標軌跡與實際軌跡對比圖

(b)目標車速與實際車速對比圖

(c)理想橫擺角速度與實際橫擺角速度對比圖

(d)汽車質心側偏角

由這些響應圖可以看出，仿真模型運行軌跡與理想軌跡的偏差很小，說明所建立模型的轉向性能很好。汽車的縱向車速與理想車速的偏差保持在0.2 km·h-1范圍內，說明所建立的駕駛員速度控制模型合理，同時說明所建立模型的動力性很好。汽車的橫擺角速度變化曲線與理想橫擺角速度曲線圖幾乎是重合的，汽車的質心側偏角最大值為1.2°，說明所建立模型的具有良好的橫向穩定性。

4 結 論

本文利用Carsim和Simulink搭建了駕駛員閉環控制的四輪輪轂電機獨立驅動電動汽車整車模型，詳細給出了一套簡單有效的各輪力矩分配控制策略，仿真結果表明，本文所建立的四輪輪轂電機獨立驅動電動汽車模型具有良好的操縱穩定性和動力性，其運行軌跡、車速、質心側偏角、橫擺角速度與理想值都非常接近，模型精確度高，力矩分配控制策略有效，為四輪輪轂電機獨立驅動電動汽車穩定性控制算法的研究奠定了良好的基礎。以后的研究可在該仿真模型基礎上進行汽車主動安全控制算法的開發與驗證。

[1] NAM K, FUJIMOTO H,HORI Y. Lateral stability control of in-wheel-motor-driven electric vehicles based on sideslip angle estimation using lateral tire force sensors[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2012, 61(5): 1972-1985.

[2] SHINO M, NAGAI M. Yaw-moment control of electric vehicle for improving handling and stability [J]. JSAE review, 2001, 22(4): 473-480.

[3] 李克強, 張書瑋, 羅禹貢, 等. 智能環境友好型車輛的概念及其最新進展[J]. 汽車安全與節能學報, 2013, 4(2):109-120.

[4] 余卓平, 馮源. 分布式驅動電動汽車動力學控制發展現狀綜述[J]. 機械工程學報, 2013, 49(8): 105-114.

[5] 靳立強, 王慶年, 岳巍強, 等. 基于四輪獨立驅動電動汽車的動力學仿真模型[J]. 系統仿真學報, 2005, 17(12): 3053-3055.

[6] 宗長富, 劉經文, 鄭宏宇, 等. 4WID/4WIS 電動車建模和特殊工況仿真[J]. 汽車工程, 2011 (10): 829-833.

[7] 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.

[8] 馬高峰, 李剛, 韓海蘭. 基于 CarSim 的四輪輪轂電機電動汽車建模方法研究[J]. 農業裝備與車輛工程, 2015, 53(7): 8-11.

[9] YOON J, CHO W, KOO B, et al. Unified chassis control for rollover prevention and lateral stability[J]. Vehicular Technology, IEEE Transactions, 2009, 58(2): 596-609.

(責任編輯 趙環宇)

ModelingandCo-simulationforFour-in-wheel-motor-drivenElectricVehicle

GEPing-shua,ZHANGTaoa,ZHAOXiu-chuna,CUIYan-qiub

(a. School of Electromechanical Engineering b. School of Information and Communication Engineering,Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

U469.72

A

2017-03-28；

2017-04-27

國家自然科學基金資助項目(51575079)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(DC201502010306，DC201502060408，DCPY2016095，DCPY2017010)。

葛平淑(1983-), 女,山東五蓮人，講師, 博士，主要從事智能車輛、汽車動力學與控制的研究。

2096-1383(2017)05-0451-05