四輪驅動電動汽車穩定性控制模型搭建及模型準確性驗證

廖響榮

摘 要：基于CarSim/Simulink平臺，搭建四輪驅動電動汽車聯合仿真控制模型，在雙移線工況下，驗證所建立的四輪驅動電動汽車控制仿真模型的準確性，結果顯示，所建立的四輪驅動電動汽車整車模型與CarSim里B級車模型性能具有高度一致性，這說明所搭建的四輪驅動電動汽車模型具有較高精確度，同時該模型的搭建也為后續的四輪獨立驅動電動汽車穩定性控制奠定研究基礎。

關鍵詞：輪轂電機;四輪驅動;系統建模;準確性驗證

中圖分類號：U469.72 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）14-69-04

Abstract： Based on the CarSim / Simulink platform， a four-wheel drive electric vehicle joint simulation control model is built. Under the condition of double line shifting， the accuracy of the control simulation model of the four-wheel drive electric vehicle is verified. The results show that the performance of the four-wheel drive electric vehicle model is highly consistent with that of CarSim B-class vehicle model， This shows that the four-wheel drive electric vehicle model has high accuracy， and the establishment of the model also lays a foundation for the stability control of the four-wheel independent drive electric vehicle.

Keywords： Hub motor; Four wheel drive; System modeling; Accuracy verification

CLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）14-69-04

引言

能源與環境問題日益凸顯，為了緩解上述兩大問題，新能源汽車成為了研究熱點，其中四輪輪轂電機獨立驅動電動汽車因其動力學控制方面的優勢，成為了電動汽車動力系統技術突破的方向所在[1-3]。

電動汽車其多體動力學模型的精確度是對其進行研究控制的重要基礎。文獻[4]提供了二自由度車輛動力學控制模型研究基礎。文獻[5]在二自由度車輛控制模型基礎上，增加車輛側傾自由度，構造車輛三自由度模型。上述模型大多基于Matlab/Simulink編程實現，且建模過程中假設了過多理想化條件，這使得其多體動力學模型準確性相對較差，而Carsim是國際認可的車輛動力學仿真軟件，具有仿真精度高，運算快等優點，同時方便用戶設置仿真工況，但目前Carsim未開發四輪驅動電動汽車模塊，因此，本文基于CarSim/ Similink搭建四輪驅動電動汽車聯合仿真平臺，并驗證其模型準確性，為后續學者繼續研究奠定基礎。

1 CarSim/Simulink聯合仿真平臺搭建

1.1 輪轂電機選型

首先，在Simulink里搭建輪轂電機模型，其次在CarSim平臺中設定外接輪轂電機接口，最后將所搭建的輪轂電機模型與CarSim里整車模型進行匹配。本文主要研究的是典型工況下四輪驅動電動汽車穩定性控制模型的準確性，因此電機在各轉速下的最大驅動/制動力矩是尤為關鍵指標因素，故在搭建輪轂電機模型時進行合理簡化，即依據電動汽車的動力性能需求對電動汽車輪轂電機選型，確保其滿足整車動力性要求。

依據四輪驅動輪轂電機研究要求，選取永磁無刷直流電機作為電動汽車輪轂電機，其峰值扭矩為120N.m，峰值轉速為1200r/min，外特性曲線如圖1所示。

從圖1可知，當電機轉速小于等于基速時，輪轂電機控制策略為恒轉矩;當電機大于基速時，電機功率為峰值功率，若繼續增大車輪轉速，由于電機最大功率保持不變，故其提供的最大力矩減小。

1.2 電驅系統建模

依據四輪驅動電動汽車其結構特點對CarSim里B級車作以下幾點改動。首先，切去CarSim里B級車原有的動力源，并把動力源接口更改為由外部提供，其次，將B級車其驅動方式由原有的前輪驅動設置為四輪驅動，最后，由于輪轂電機安裝在車輪中，故依據輪轂電機重量相應增加車輪的轉動慣量以及整車非簧載質量。電驅動系統建模步驟分別如圖2、3及4所示[7-8]。

1.3 制動系統建模

四輪驅動電動汽車制動力來源主要由液壓、電機兩大系統提供。其中，輪轂電機控制器通過改變電機轉矩方向來實現電機由驅動/制動模式。

由于輪轂電機制動其相對液壓制動具有較快轉矩響應、實時性好等優點，故車輪穩定性控制系統一般優先考慮采用電機驅動/制動力矩來使車輛穩定，同時極限工況下需液壓制動系統介入，因此，在四輪驅動電動汽車建模時，需搭建液壓制動系統，但由于四輪驅動電動汽車優先使用電機力矩來保證車輛穩定性，故可合理降低車輛前、后輪制動效能因素，具體建模如圖5所示。

1.4 轉向系統建模

在不同載荷下輪胎側偏力與其側偏角之間關系如圖6所示。

由于車輛在高速運動過程中其輪胎側偏角較小，故其側偏力和側偏角可近似看為線性關系，結合牛頓插值法可獲得車輛運動過程中各個載荷時的輪胎側偏剛度。

1.6 懸架建模

在CarSim中獨立對懸架參數化建模，主要包括：懸架剛度、輪距、阻尼參數以車輪中心高度。四輪驅動電動汽車其前、后懸架均采用獨立懸架，懸架模型分別如圖7、8所示。

2 四輪驅動電動汽車模型準確性驗證

由于橫擺角速度和質心側偏角是衡量車輛穩定狀態的兩個尤為關鍵指標，為驗證所搭建模型的準確性，在雙移線工況下進行仿真試驗，對比CarSim/Simulink搭建的四輪驅動電動汽車模型與CarSim自帶的模型的橫擺角速度以及質心側偏角曲線，如果吻合度較高說明所建立的模型具有較高的準確性。

試驗工況：在附著系數為0.85的雙移線路面上，四輪驅動電動汽車以60km/h行駛其試驗工況橫擺角速度和質心側偏角曲線仿真結果分別如圖9、10所示。

綜合圖9、10可以看出，所建立四輪驅動電動汽車動力學模型與CarSim里自帶整車模型輸出的橫擺角速度、質心側偏角曲線吻合度均較高。仿真結果表明，所搭建的四輪驅動電動汽車整車模型與Carsim自帶的整車模型動力學響應特性大致吻合，所建立的四輪驅動電動汽車模型具有較高的精確度。

3 結論

（1）以CarSim里B級車為基準車建立四輪驅動電動汽車多體動力學模型。

（2）在典型雙移線工況下，驗證了該四輪驅動電動汽車模型的準確性。

（3）四輪驅動電動汽車模型精確度的驗證為后續車輛穩定性控制研究奠定良好借鑒基礎。

參考文獻

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