高欣然，蹇小平，鄧家奇（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安　710064）

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基于ADVISOR的四輪輪轂電機驅(qū)動試驗車動力系統(tǒng)設(shè)計及仿真

高欣然，蹇小平，鄧家奇
（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安710064）

摘要：首先提出了試驗車動力性要求，對輪轂電機及動力電池進行了參數(shù)計算與選型，采用ADVISRO建立了整車動力系統(tǒng)模型，并對其進行了仿真分析。仿真結(jié)果驗證了所選取的輪轂電機及動力電池均滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：輪轂電機；電動汽車；四輪驅(qū)動；動力系統(tǒng)；ADVISOR仿真

1　概述

隨著電動汽車在汽車工業(yè)發(fā)展中的地位顯著提升，基于輪轂電機四輪驅(qū)動的純電動汽車技術(shù)，可以極大地簡化整車總布置結(jié)構(gòu)，減少整車質(zhì)量；同時其四輪驅(qū)動力矩、轉(zhuǎn)速均便于測量且獨立可控，在提高車輛操縱穩(wěn)定性、加強主動安全控制和提高制動能量回收效率等方面具有顯著優(yōu)勢，因而成為世界各大汽車公司和科研院所的關(guān)注熱點。

由美國可再生能源實驗室NREL開發(fā)的仿真軟件ADVISOR是一種基于MATLAB／SIMULINK環(huán)境的仿真軟件。ADVISOR采用了以后向仿真為主、前向仿真為輔的混合仿真方法，較好地集成了兩種方法的優(yōu)點，既使得仿真計算量較小、運算速度較快，又保證了仿真結(jié)果的精度。但是ADVISOR模型設(shè)計中默認(rèn)為前軸驅(qū)動，不能對四輪驅(qū)動車輛進行性能仿真。

本文先對輪轂電機結(jié)構(gòu)分類和對整車動力學(xué)性能的影響進行了分析，并對基于輪轂電機四輪驅(qū)動的電動試驗車進行了整車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計，進而以ADVISOR2002軟件為平臺，開發(fā)了四輪驅(qū)動汽車性能仿真模塊，并對整車性能進行了仿真驗證。

2　輪轂電機結(jié)構(gòu)分析及對整車動力學(xué)性能的影響

2.1輪轂電機結(jié)構(gòu)

目前車用輪轂電機按照驅(qū)動方式主要分為高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機和低速外轉(zhuǎn)子電機，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）高速內(nèi)轉(zhuǎn)子型輪轂電機的優(yōu)點是質(zhì)量輕、噪音小、比功率高、效率高、成本低，其最高轉(zhuǎn)速通常設(shè)計在2000r／min以上，較為適合現(xiàn)代高性能電動汽車的運行要求。但由于轉(zhuǎn)速較高，需要在輪轂的有限空間里增加布置減速機構(gòu)，以獲得起動及爬坡時所需要的足夠大的扭矩，機械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

2）低速內(nèi)轉(zhuǎn)子型輪轂電機的低速外轉(zhuǎn)子電機永磁轉(zhuǎn)子直接安裝在輪轂上，電機轉(zhuǎn)速與車輪轉(zhuǎn)速相等，不需要變速裝置。低速外轉(zhuǎn)子電機體積大、質(zhì)量大、成本高，但結(jié)構(gòu)簡單，無需齒輪變速傳動機構(gòu)。這樣可平衡整個驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量和功率密度［1］。

圖1　　輪轂電機結(jié)構(gòu)

2.2輪轂電機對整車動力學(xué)性能的影響及改進策略

輪轂電機直接安裝在車輪上，增大了簧下質(zhì)量，從而造成了車輛乘坐舒適性變差，也對整車行駛穩(wěn)定性有一定的不利影響。王志強［2］針對輪轂電機對整車影響進行了全面的操縱穩(wěn)定性和平順性試驗，通過對所得試驗數(shù)據(jù)進行處理分析，得出了簧下質(zhì)量的增加會增大轉(zhuǎn)向輪橫擺趨勢，并增大車輪動載荷，降低輪胎等效側(cè)偏剛度，從而影響轉(zhuǎn)向特性。方義［3］通過建立電動汽車1／4垂向振動模型進行仿真分析，并與道路試驗結(jié)果對比，得出非簧載質(zhì)量的增加對車身垂直振動加速度的影響與激勵輸入有一定的關(guān)系，在脈沖激勵輸入下影響不是很明顯，在隨機激勵輸入和正弦波激勵輸入下均有一定增長。

音樂劇的演唱都是角色演唱。從技術(shù)上來講，不同于傳統(tǒng)的古典唱法追求大的音量和共鳴，音樂劇的演唱大多追求一種自然的，近似說話的演唱方式。音樂劇演員在演出時都會配有麥克風(fēng)，所以在演唱時演員也沒有必要去追求大的音量和共鳴。之所以音樂劇演唱要像說話一樣，歸根結(jié)底是由其以戲為本的特性決定的。

為改進輪轂電機對整車動力學(xué)性能的不利影響，馬英等［4］以輪轂電機垂向運動的最大位移為約束條件，以車輛平順性指標(biāo)的最小均方根值為優(yōu)化目標(biāo)，應(yīng)用Patternsearch函數(shù)對輪轂電機懸架構(gòu)型進行了優(yōu)化，其仿真結(jié)果表明整車的平順性有了較好的提高。李剛［5］利用四輪輪轂電機獨立驅(qū)動電動汽車四輪驅(qū)動力矩獨立可控和轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速易于測得的特點，通過基于模糊理論路面識別的驅(qū)動防滑控制研究，實現(xiàn)了對驅(qū)動防滑系統(tǒng)ASR更為精確的控制，提高了整車動力性和行駛穩(wěn)定性。

3　整車性能參數(shù)設(shè)計

電動試驗車的設(shè)計目標(biāo)是針對輪轂電機在四輪力矩及轉(zhuǎn)速獨立控制、制動能量回收、四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)等領(lǐng)域的研究提供試驗平臺，而非面向市場的民用車輛。因而在滿足試驗所需動力性能的前提下，不對試驗車做更高的性能要求，以節(jié)約成本。整車性能目標(biāo)參數(shù)如下：最高車速νmax為50km／h，0—40km／h加速時間為15s，最大爬坡度i為12%，續(xù)駛里程S為50km。

3.1輪轂電機的參數(shù)設(shè)計

3.1.1輪轂電機最大功率

根據(jù)汽車行駛功率平衡方程，電動汽車的功率計算公式如下：

式中：Pe——電機功率；m——整車總質(zhì)量，kg；f——路面滾動阻力系數(shù)；α——坡道角度，（°）；A——汽車行駛方向的迎風(fēng)面積，m2；Cd——空氣阻力系數(shù)；δ——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；——整車加速度，m／s2；η——傳動效率，取0.9；va——汽車行駛速度，km／h。

3.1.2輪轂電機最大扭矩

式中：Ttq——驅(qū)動力矩；ig——變速器傳動比，i0——主減速器傳動比，本試驗車由輪轂電機直接驅(qū)動，故均取1；r——輪胎滾動半徑。

3.1.3輪轂電機最高轉(zhuǎn)速

輪轂電機輸出的最高轉(zhuǎn)速由整車設(shè)計最高車速決定。

式中：nmax——電機最高轉(zhuǎn)速；vmax——整車最高車速；r——車輪滾動半徑。

3.2動力電池參數(shù)設(shè)計

動力蓄電池組電壓應(yīng)與輪轂電機的額定電壓相匹配。電池的能量W和容量Q決定了電動試驗車的續(xù)駛里程，其計算公式分別為：

式中：Paver——電動試驗車以平均車速vaver行駛時的功率，kW；S——續(xù)駛里程，km；Pmax——以最高車速vmax行駛時的功率，kW；U——動力電池電壓，V。

3.3整車驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的確定

電動試驗車整車設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1　　電動試驗車整車設(shè)計參數(shù)

作為電動試驗車，還需搭載一名駕駛員及一名試驗員，整車總質(zhì)量應(yīng)為整備質(zhì)量與乘員質(zhì)量 （按每人75 kg計）之和，為850 kg。將以上參數(shù)帶入式 （1）～ （3），得電機所需最大總功率為4.255kW，最大總扭矩為272.73Nm，最高轉(zhuǎn)速為608.4r／min。參照計算所得電機參數(shù)，選擇了揚州科光技術(shù)發(fā)展有限公司的KG205-2型電機，其額定電壓為60 V，額定功率為2 kW，最大功率5.49 kW，最大扭矩79.4 Nm，最高轉(zhuǎn)速為700 r／min。本車采用4臺電機共同驅(qū)動，能夠滿足各項所需動力參數(shù)要求。

根據(jù)所選電機參數(shù)，確定動力蓄電池組電壓U為60 V。取平均行駛車速vaver為40 km／h，對應(yīng)的電機總功率Paver為2.06kW；vmax=50km／h時，Pmax=2.93kW；將以上參數(shù)帶入式（4）、（5），得：W=2.58kWh，Q=48.83 Ah。選擇三門峽興邦特種膜科技發(fā)展有限公司的XBIFP-2770185-20 000 mAh型鋰離子電池包，總能量為3.6 kWh，總?cè)萘繛?0Ah，均能滿足設(shè)計要求。

4　基于ADVISOR的四輪輪轂電機驅(qū)動試驗車動力性仿真

ADVISOR軟件是基于MATLAB和SIMULINK軟件環(huán)境下開發(fā)的車輛仿真軟件，其分析結(jié)果已被大量的實踐證明擁有良好的可靠性與實用性。但由于ADVISOR軟件平臺只提供前輪驅(qū)動模式，故在進行仿真前，需要重新建立相關(guān)仿真模塊。

在一定坡度路面上的四輪驅(qū)動汽車，在極限附著情況下驅(qū)動力所能產(chǎn)生的汽車最大末速度v1為

式中：α——行駛路面坡度；f1、f2——分別為汽車前后輪滾動阻力系數(shù)；ρ——空氣密度，kg／m3；v0、vt——迭代初、末速度，m／s；dt——迭代時步，s。

圖2　　驅(qū)動力控制模塊

根據(jù)式 （6）在MATLAB／SIMULINK中建立雙軸驅(qū)動限速子模塊 （圖2），并嵌入ADVISOR2002的車輛控制系統(tǒng)庫中［6］。根據(jù)本車設(shè)計參數(shù)及驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)，在ADVISOR中分別建立相應(yīng)Vehicle（整車模型）、Energy Storage（能量存儲單元模型）、Motor（驅(qū)動電機模型）、Transmission（傳動系統(tǒng)模型）、Wheel／Axle（車輪／軸模型）、Accessory（附加件模型）等模塊。

本次仿真采用ADVISOR中自帶的CYC_5PEAK循環(huán)工況，該工況要求的速度—時間曲線如圖3中藍色曲線cyc_kph_r所示，動力性能仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　　試驗車車速變化曲線

圖4　　電池剩余電量ess_soc_hit變化曲線

仿真結(jié)果如下：試驗車的仿真最高車速可達81.4 km／h，0—40km／h加速時間為13.7s，0—50km／h加速時間為21.5 s，車速為4.8 km／h時的最大爬坡度為11.3%，最大續(xù)駛里程為62.3km。

5　結(jié)論

根據(jù)四輪輪轂電機驅(qū)動試驗車的動力性要求特點，確定其初步設(shè)計目標(biāo)；通過計算確定了整車的驅(qū)動電機與動力電池相關(guān)參數(shù)，并進行了整車仿真。由仿真結(jié)果知試驗車在最高車速、最大爬坡度和續(xù)駛里程上基本滿足了設(shè)計要求。為下一步進行試驗車平臺搭建提供了理論依據(jù)。

參考文獻：

［1］柴陸路，劉洲輝，羅寥.輪轂電機式純電動汽車平臺的建立［J］.汽車工程師，2009（8）：28-29.

［2］汪志強.輪轂電機對車輛操縱穩(wěn)定性和平順性的影響研究［D］.吉林大學(xué)，2014.

［3]方義.輪轂電機直接驅(qū)動對電動汽車行駛平順性的影響［D］.吉林大學(xué)，2012.

［4]馬英，鄧兆祥，謝丹.輪轂電機懸架構(gòu)型分析與優(yōu)化［J］.中南大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版），2014（9）：3 008-3014.

［5]李剛.線控四輪獨立驅(qū)動輪轂電機電動汽車穩(wěn)定性與節(jié)能控制研究［D］.吉林大學(xué)，2013.

［6]曾小華，宮維鈞.ADVISOR2002電動汽車仿真與再開發(fā)應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2014.

（編輯文珍）

中圖分類號：U469.72

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）01－0026－04

收稿日期：2015-12-02；修回日期：2015-12-21

作者簡介：高欣然 （1989-）男，陜西榆林人，長安大學(xué)汽車學(xué)院碩士研究生，主要研究方向為電動汽車，244270198@ qq.com。

Power System Design and Simulation for Four Wheel Hub Motor Driving Test Vehicle Based on ADVISOR

GAO Xin-ran，JIAN Xiao-ping，DENG Jia-qi
（School of Automobile，Chang’an University，Xi’an 710064，China）

Abstract：First the power requirement of the test vehicle is presented,then the parameters of the wheel hub motor and the power battery are calculated and selected.The vehicle power system model is set up with ADVISOR and it is simulation analyzed.The simulation result shows that all the selected wheel hub motor and power battery can meet design requirements.

Key words：wheel hub motor；EV；four wheel drive；power system；ADVISOR simulation