羅映 徐熊 王淑超 趙宗凱 盧浩 李靖 趙磊

摘要：輪轂電機(jī)和四輪驅(qū)動(dòng)具有獨(dú)特的性能優(yōu)勢，本文對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，設(shè)計(jì)了一款適用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的電動(dòng)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)線控動(dòng)力系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：智能網(wǎng)聯(lián)汽車;輪轂電機(jī);動(dòng)力系統(tǒng)

0? 引言

電動(dòng)化和智能化是當(dāng)代汽車發(fā)展的必然趨勢，采用輪轂電機(jī)的電動(dòng)汽車底盤具有如下優(yōu)點(diǎn)[1]：

①將汽車的動(dòng)力、傳動(dòng)、制動(dòng)等系統(tǒng)集中在車輪內(nèi)部，簡化了車輛的機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而降低了生產(chǎn)和維護(hù)成本、降低故障率。②整車質(zhì)量降低，從而降低整車能量消耗，且更容易實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收，增加續(xù)駛里程。③提高了整車的靈活性，采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)較小的轉(zhuǎn)彎半徑，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。④提高了整車可靠性，智能網(wǎng)聯(lián)汽車最終將實(shí)現(xiàn)無人駕駛，而采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)線控底盤，即使有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪失去動(dòng)力，也能“跛行回家”，因此更適用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車。

本文將北汽EV150電動(dòng)汽車的四輪全部改裝成輪轂電機(jī)，采用自研的整車控制器VCU通過CAN總線與四個(gè)車輪的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通訊，對(duì)整車控制算法進(jìn)行了建模，最終實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，可用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的研發(fā)和功能測試，為實(shí)現(xiàn)無人駕駛打下了基礎(chǔ)。

1? 整車動(dòng)力性計(jì)算

汽車的動(dòng)力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括最大車速、最大加速度和最大爬坡度，根據(jù)GB/T28382-2012標(biāo)準(zhǔn)要求，取動(dòng)力性能指標(biāo)如表1所示。

本文是在北汽新能源EV150電動(dòng)汽車上進(jìn)行改裝，其主要參數(shù)如表2所示[2]。

汽車在正常行駛狀態(tài)下，必須克服滾動(dòng)阻力Ff、空氣阻力Fw、坡度阻力Fi和加速阻力Fj，所以汽車行駛的總阻力為[3]：■，如圖1所示。

1.1 最高車速計(jì)算[3]

當(dāng)汽車以最大速度在良好路面上行駛時(shí)，汽車主要受到的行駛阻力為滾動(dòng)阻力Ff和空氣阻力Fw，即：

其中滾動(dòng)阻力Ff為滾動(dòng)阻力系數(shù)與車輪負(fù)荷的乘積，一般的瀝青或混凝土路面的滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.018-0.020，取上限值f=0.020作為滾動(dòng)阻力系數(shù)的值，g取9.8m/s2。由此可得：

空氣阻力包括形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力、誘導(dǎo)阻力以及摩擦阻力，其中占據(jù)較大比例的為形狀阻力，經(jīng)驗(yàn)公式：

CD表示空氣阻力系數(shù);A表示迎風(fēng)面積（m2）;？籽表示空氣密度，常規(guī)情況下？籽的值取為1.2258N·s2·m-4;ut表示汽車行駛相對(duì)速度，此處不考慮風(fēng)的影響，所以u(píng)t即汽車的行駛速度。當(dāng)前大多數(shù)轎車的空氣阻力系數(shù)CD值為0.30以下，為保證所設(shè)計(jì)整車的動(dòng)力性充足，故將空氣阻力的值CD取為0.3，已知迎風(fēng)面積約為1.9m2，因此當(dāng)汽車以最大速度120km/h在良好路面上行駛時(shí)，其消耗的功率：

1.2 最大加速度計(jì)算[3]

國標(biāo)GB/T28382-2012提出純電動(dòng)車輛0-50km/h加速時(shí)間應(yīng)不超過10s（對(duì)應(yīng)加速度為1.389m/s2）。當(dāng)汽車在良好的路面上進(jìn)行加速行駛時(shí)，鑒于汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性，定義汽車從靜止以恒定最大加速度加速至50km/h，此時(shí)汽車的行駛阻力主要包括滾動(dòng)阻力、空氣阻力和加速阻力，滾動(dòng)阻力Ff和空氣阻力Fw與計(jì)算最高車速時(shí)類似。

由于本車設(shè)計(jì)為采用輪轂電機(jī)的電動(dòng)汽車，無傳動(dòng)系及變速器，所以僅考慮車輪的旋轉(zhuǎn)慣量，經(jīng)計(jì)算輪轂、輪胎、剎車盤和輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如表3所示，代入公式2.1.2c計(jì)算可得旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)值為1.029：

1.3 最大爬坡度計(jì)算[3]

汽車低速狀態(tài)下在最大爬坡度所對(duì)應(yīng)的坡道上行，能夠保證自身動(dòng)力性的狀態(tài)下，汽車的行駛阻力主要由滾動(dòng)阻力、空氣阻力以及坡度阻力構(gòu)成。且滾動(dòng)阻力和空氣阻力與其自身的重力由直角變化為銳角，重力沿坡道方向的分力即汽車上坡時(shí)所必須克服的坡度阻力。

當(dāng)汽車在最大爬坡度（20%）所對(duì)應(yīng)的坡道（約為11.3°）上行，以12km/h的速度勻速行駛時(shí)（此時(shí)也可以忽略空氣阻力，因?yàn)槭亲畹蛙囁伲@時(shí)的功率應(yīng)該根據(jù)TNP的關(guān)系來算），其消耗的功率及對(duì)應(yīng)扭矩：

根據(jù)上述分析和計(jì)算，所選電機(jī)的總功率不小于34kW，總力矩不小于986N·m，由于是四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此單個(gè)電機(jī)的功率不小于6.8kW，力矩不小于246.5N·m。

2? 電機(jī)選型

目前，可以應(yīng)用于輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的電機(jī)地類型主要為：無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)，由于永磁同步電機(jī)體積小、質(zhì)量輕、可靠性高，并且在運(yùn)行的過程中噪音和振動(dòng)比其他電機(jī)都表現(xiàn)出了良好的性能，所以選用永磁同步電機(jī)并選配了相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，如圖2所示為電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器實(shí)物。

鑒于市面成品輪轂電機(jī)可選量較少因素，最終選擇的電機(jī)參數(shù)如表4所示。

根據(jù)上面的計(jì)算，將所選電機(jī)額定扭矩代入公式，將峰值扭矩代入公式，可以反推計(jì)算出車輛的最高車速、最大加速度和最大爬坡度如表5。

3? 線控動(dòng)力系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)

如圖3所示，該線控動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由4個(gè)獨(dú)立的輪轂電機(jī)、每一個(gè)輪轂電機(jī)配有各自的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，工作時(shí)互相獨(dú)立不干涉，4個(gè)電機(jī)均裝有旋轉(zhuǎn)變壓器，以實(shí)時(shí)反饋電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度和轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)模式有兩種：轉(zhuǎn)速PID閉環(huán)控制模式和轉(zhuǎn)矩PID閉環(huán)控制模式。該線控動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括整車控制器VCU、加速踏板傳感器，整車控制器采集加速踏板傳感器信號(hào)，解算成速度或轉(zhuǎn)矩信號(hào)后通過CAN-BUS總線發(fā)送至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，來實(shí)現(xiàn)四個(gè)輪的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。

需要注意的是：安裝前必須針對(duì)電機(jī)參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)標(biāo)定，才能實(shí)現(xiàn)在不同行駛工況下對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確控制，根據(jù)控制要求，制定通訊協(xié)議如表6所示。

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由整車控制器VCU作為核心控制器，通過CAN總線與各輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)信號(hào)收發(fā)，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)接收到的VCU的控制信號(hào)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制（如圖4所示）。在整個(gè)過程中，旋轉(zhuǎn)變壓器、輪速傳感器和扭矩傳感器持續(xù)工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測車輪轉(zhuǎn)速和車輪轉(zhuǎn)矩，并通過CAN總線反饋給整車控制器。VCU根據(jù)接收到的反饋信號(hào)，對(duì)發(fā)出的控制信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，精準(zhǔn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，其控制模式又細(xì)分為轉(zhuǎn)矩閉環(huán)PID控制以及轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID控制。

4? 控制系統(tǒng)建模

本模型采用simulink軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，硬件采用PM-ECMV2可配置控制器，功能包括：人工駕駛控制模式、自動(dòng)駕駛線控模式、仿真調(diào)試模式。

如圖5所示，模型由數(shù)據(jù)采集模塊、故障診斷模塊、VCU處理模塊、四輪驅(qū)動(dòng)處理模塊、執(zhí)行器控制模塊等組成。

4.1 人工駕駛控制模式

控制使用的信號(hào)有加速信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)、檔位信號(hào)、車速信號(hào)、停止信號(hào)，然后計(jì)算得到輸出整車控制扭矩，發(fā)送給四輪驅(qū)動(dòng)模塊然后分配給4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪。

整車扭矩包括行車扭矩、起步扭矩、能量回收扭矩三部分。其中行車扭矩計(jì)算模塊（Cal_Acc_Tq）利用加速信號(hào)做開環(huán)扭矩輸出，啟動(dòng)扭矩計(jì)算（Cal_Starting_Tq）通過車速閉環(huán)計(jì)算扭矩輸出、制動(dòng)能量回收計(jì)算（Cal_Recycle_Tq）通過車速查表獲得回收扭矩值，如圖6所示。

4.2 自動(dòng)駕駛線控模式

當(dāng)檢測到由人工駕駛切入到自動(dòng)駕駛狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)駕駛模式，自動(dòng)駕駛模式下的加速信號(hào)、檔位信號(hào)、轉(zhuǎn)向燈、制動(dòng)燈、喇叭等信號(hào)由自動(dòng)駕駛決策控制器（本文不涉及）通過CAN總線下發(fā)，然后通過多路選擇器后進(jìn)入整車控制邏輯，如圖7所示。

4.3 仿真模式

當(dāng)檢測到由人工駕駛模式進(jìn)入到仿真調(diào)試模式時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入到仿真調(diào)試模式，該模式下，所有輸入和輸出信號(hào)參數(shù)均可通過仿真模型進(jìn)行在線修改，在仿真環(huán)境中驗(yàn)證控制算法，控制模型如圖8所示。

5? 總結(jié)

本文對(duì)輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的線控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，最后經(jīng)實(shí)車實(shí)驗(yàn)（如圖9所示），完成了對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能和性能驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明，最高車速121km/h，最高爬坡度20%，最大加速1.83m/s2，滿足設(shè)計(jì)要求。

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