分布式驅(qū)動電動車電機(jī)失效后行駛穩(wěn)定性研究

劉雨暉，陳光耀，冉 淵，李 濤

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

鑒于分布式驅(qū)動電動車具有底盤空間大、傳動效率高、動力經(jīng)濟(jì)性好、操縱穩(wěn)定性突出等優(yōu)勢[1-2]，目前已成為電動汽車研發(fā)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對象[3-4]。分布式驅(qū)動電動車車身穩(wěn)定控制、橫擺力矩控制研究是保障車輛安全行駛的關(guān)鍵因素[5-11]。在分布式驅(qū)動電動車行駛穩(wěn)定性研究方面，針對電機(jī)失效后的行駛穩(wěn)定性研究較少。電機(jī)失效后仍具有良好的行駛穩(wěn)定性是保證行車安全的關(guān)鍵。因此，分布式驅(qū)動電動車電機(jī)失效后行駛穩(wěn)定性的研究，對降低行車隱患有著重要意義。

筆者提出了一種電機(jī)失效安全控制策略，針對分布式驅(qū)動電動車直線高速行駛時(shí)的電機(jī)失效情況，提供了相應(yīng)的控制方案，提高電機(jī)失效后的行駛穩(wěn)定性。采用CarSim和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真的方式對安全控制策略干預(yù)和不干預(yù)電機(jī)失效過程進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

1 分布式驅(qū)動電動車動力學(xué)模型

CarSim軟件提供大量具有準(zhǔn)確參數(shù)的模型庫以及MATLAB/Simulink軟件圖形化編程提供動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境，筆者采用CarSim和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真的方式建立分布式驅(qū)動電動車整車動力學(xué)模型并對電機(jī)失效過程進(jìn)行仿真。采用CarSim軟件建立整車模型中車體、空氣動力學(xué)、制動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、輪胎模型，采用MATLAB/Simulink軟件建立電機(jī)模型，通過CarSim和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)分布式驅(qū)動的效果。

永磁同步電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩密度高、轉(zhuǎn)矩脈動低、振動噪聲小、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作電動汽車驅(qū)動電機(jī)。筆者采用永磁同步電機(jī)作為分布式驅(qū)動電動車的驅(qū)動電機(jī)。利用MATLAB/Simulink軟件建立用于分布式驅(qū)動電動車電機(jī)失效仿真的三相永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)模型，如圖1所示。

圖1 三相永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)模型

2 電機(jī)失效后行駛穩(wěn)定性仿真分析

2.1 單電機(jī)失效的仿真分析

單電機(jī)失效包括：左前、右前、左后、右后輪失效4種情況。筆者對分布式驅(qū)動電動車直線高速行駛電機(jī)失效后行駛穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)，左前、右前輪失效視為同種情況，左后、右后輪失效視為同種情況。筆者選取左前和右后輪失效情況進(jìn)行分析，單電機(jī)失效后各行駛穩(wěn)定性指標(biāo)變化曲線如圖2所示。

圖2 單電機(jī)失效后各行駛穩(wěn)定性指標(biāo)變化曲線

由圖2(a)可知，1 s時(shí)左前輪失效，1～1.2 s橫擺角速度激增至0.35 deg/s，1.2～1.5 s回落至0.17 deg/s，1.5～1.7 s緩升至0.21 deg/s，1.7～5 s穩(wěn)定在0.21 deg/s附近。1 s時(shí)右后輪失效，1～1.2 s橫擺角速度激增至0.18 deg/s(絕對值)，1.2～1.5 s回落至0.09 deg/s(絕對值)，1.5～1.8 s緩升至0.11 deg/s(絕對值)，1.8～5 s穩(wěn)定在0.11 deg/s(絕對值)附近。

由圖2(b)可知，1 s時(shí)左前輪失效，1～1.3 s質(zhì)心側(cè)偏角激增至0.043°(絕對值)，1.3～1.6 s回落至0.035°(絕對值)，1.6～1.9 s緩升至0.036°(絕對值)，1.9～5 s穩(wěn)定在0.036°(絕對值)附近。1 s時(shí)右后輪失效，1～1.3 s質(zhì)心側(cè)偏角激增至0.025°，1.3～1.6 s回落至0.02°，1.5～1.8 s緩升至0.021°，1.8～5 s穩(wěn)定在0.021°附近。

由圖2(c)可知，1 s時(shí)左前輪失效，1～1.3 s側(cè)向加速度激增至0.13 m/ s2，1.3～5 s在0.11 m/s2上下浮動，最大值達(dá)到0.15 m/s2。1 s時(shí)右后輪失效，1～1.3 s側(cè)向加速度激增至0.074 m/s2(絕對值)，1.3～5 s在0.055 m/s2(絕對值)上下浮動，最大值達(dá)到0.093 m/s2(絕對值)。

由圖2(d)可知，1 s時(shí)左前輪失效，車輛向左偏移，1～5 s最大側(cè)向位移為0.86 m。1 s時(shí)右后輪失效，車輛向右偏移，1～5 s最大側(cè)向位移為0.42 m(絕對值)。

2.2 雙電機(jī)失效的仿真分析

雙電機(jī)失效包括：同軸、異軸對側(cè)、異軸同側(cè)雙電機(jī)失效。筆者選取左前右前輪失效、左前右后輪失效、右前右后輪失效進(jìn)行分析，雙電機(jī)失效后各行駛穩(wěn)定性指標(biāo)變化曲線如圖3所示。

圖3 雙電機(jī)失效后各行駛穩(wěn)定性指標(biāo)變化曲線

由圖3(a)可知，1 s時(shí)同軸雙電機(jī)失效，1～5 s橫擺角速度在0 deg/s上下波動。1 s時(shí)異軸對側(cè)雙電機(jī)失效，1～1.2 s橫擺角速度激增至0.82 deg/s(絕對值)，1.2～1.5 s回落至0.38 deg/s(絕對值)，1.5～1.7 s緩升至0.47 deg/s(絕對值)，1.7～5 s穩(wěn)定在0.47 deg/s(絕對值)附近。1 s時(shí)異軸同側(cè)雙電機(jī)失效，1～1.2 s橫擺角速度激增至0.22 deg/s，1.2～1.5 s回落至0.12 deg/s，1.5～1.7 s緩升，1.7～5 s穩(wěn)定在0.14 deg/s附近。

由圖3(b)可知，1 s時(shí)同軸雙電機(jī)失效，1～5 s質(zhì)心側(cè)偏角在0°上下波動。1 s時(shí)異軸對側(cè)雙電機(jī)失效，1～1.4 s質(zhì)心側(cè)偏角激增至0.10°，1.4～1.8 s回落至0.086°，1.8～5 s略微緩升。1 s時(shí)異軸同側(cè)雙電機(jī)失效，1～1.4 s質(zhì)心側(cè)偏角激增至0.023°(絕對值)，1.4～1.7 s回落至0.019°(絕對值)，1.7～5 s趨于穩(wěn)定。

由圖3(c)可知，1 s時(shí)同軸雙電機(jī)失效，1～5 s

側(cè)向加速度在0 m/s2上下波動。1 s時(shí)異軸對側(cè)雙電機(jī)失效，1～1.5 s側(cè)向加速度激增至0.27 m/s2(絕對值)，1.5～5 s在0.25 m/s2(絕對值)上下浮動。1 s時(shí)異軸同側(cè)失效，1～1.3 s側(cè)向加速度激增至0.082 m/s2，1.3～5 s在0.079 m/s2上下浮動，最大值達(dá)到0.093 m/s2。

由圖3(d)可知，1 s時(shí)同軸雙電機(jī)失效，側(cè)向位移在0 m上下波動。1 s時(shí)異軸對側(cè)雙電機(jī)失效，車輛向右偏移，最大側(cè)向位移為1.97 m(絕對值)。1 s時(shí)異軸同側(cè)雙電機(jī)失效，車輛向左偏移，最大側(cè)向位移為0.57 m。

2.3 三電機(jī)失效的仿真分析

三電機(jī)失效包括：僅左/右前輪未失效、僅左/右后輪未失效。筆者選取右前輪左后輪右后輪失效、左前輪右前輪左后輪失效進(jìn)行分析，三電機(jī)失效后各項(xiàng)行駛穩(wěn)定性指標(biāo)變化曲線如圖4所示。

圖4 三電機(jī)失效后各行駛穩(wěn)定性指標(biāo)變化曲線

由圖4(a)可知，1 s時(shí)左前輪右前輪左后輪失效，1～1.2 s橫擺角速度激增至0.56 deg/s，1.2～1.5 s回落至0.24 deg/s，1.5～1.8 s緩升至0.31 deg/s，1.8～5 s之間穩(wěn)定在0.31 deg/s附近。1 s時(shí)右前輪左后輪右后輪失效，1～1.2 s橫擺角速度激增至0.76 deg/s(絕對值)，1.2～1.8 s回落至0.38 deg/s(絕對值)，1.8～5 s緩升至0.45 deg/s(絕對值)趨于穩(wěn)定。

由圖4(b)可知，1 s時(shí)左前輪右前輪左后輪失效，1～1.3 s質(zhì)心側(cè)偏角激增至0.076°(絕對值)，1.3～1.6 s回落至0.061°(絕對值)，1.6～1.9 s緩升至0.062°(絕對值)，1.9～5 s穩(wěn)定在0.062°(絕對值)附近。1 s時(shí)右前輪左后輪右后輪失效，1～1.3 s質(zhì)心側(cè)偏角激增至0.093°，1.3～1.6 s回落至0.076°，1.5～1.8 s緩升至0.079°，1.8～5 s穩(wěn)定在0.079°附近。

由圖4(c)可知，1 s時(shí)左前輪右前輪左后輪失效，1～1.4 s側(cè)向加速度激增至0.17 m/s2，1.3～5 s在0.16 m/s2上下浮動，最大值為0.17 m/s2。1 s時(shí)右前輪左后輪右后輪失效，1～1.4 s側(cè)向加速度激增至0.26 m/s2(絕對值)，1.3～5 s在0.24 m/s2(絕對值)上下浮動，最大值為0.26 m/s2(絕對值)。

由圖4(d)可知，1 s時(shí)左前輪右前輪左后輪失效，車輛向左偏移，最大側(cè)向位移為1.2 m。1 s時(shí)右前輪左后輪右后輪失效，車輛向右偏移，最大側(cè)向位移為1.8 m(絕對值)。

綜上所述，同軸雙電機(jī)失效對行駛穩(wěn)定性影響不大。單電機(jī)、異軸對側(cè)和異軸同側(cè)雙電機(jī)、三電機(jī)失效，車輛兩側(cè)驅(qū)動力矩不同，產(chǎn)生非期望橫擺力矩導(dǎo)致橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角激增，側(cè)向加速度、側(cè)向位移增加。懸架的動態(tài)特性和輪胎的側(cè)向彈性使得橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角和側(cè)向加速度達(dá)到峰值后回落，最終趨于穩(wěn)定。

3 電機(jī)失效安全控制策略及仿真研究

3.1 控制規(guī)則

筆者提出了一種電機(jī)失效安全控制策略，采用關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)電機(jī)的方法保證行駛穩(wěn)定性。電機(jī)失效安全控制策略根據(jù)不同失效情況實(shí)施相應(yīng)控制方案。電機(jī)失效安全控制策略如表1所示。

表1 電機(jī)失效安全控制策略

3.2 電機(jī)失效安全控制策略仿真驗(yàn)證

3.2.1 單電機(jī)失效的控制策略和仿真

通過仿真分析可得單電機(jī)失效后電機(jī)失效安全控制策略干預(yù)和不干預(yù)失效過程的各行駛穩(wěn)定性指標(biāo)變化曲線，如圖5所示。

圖5 單電機(jī)失效控制

由圖5(a)～圖5(d)可知，1 s時(shí)單電機(jī)失效，橫擺角速度在1～1.1 s激增至峰值，其峰值約為電機(jī)失效安全控制策略未干預(yù)時(shí)峰值的1/10，1.1～1.2 s迅速回落，1.2～1.3 s趨于穩(wěn)定，1.3～5 s穩(wěn)定在0 deg/s附近；質(zhì)心側(cè)偏角在1～1.2 s激增至峰值，其峰值約為電機(jī)失效安全控制策略未干預(yù)時(shí)峰值的1/20，1.2～1.3 s開始回落，1.3～2 s趨于穩(wěn)定，2～5 s穩(wěn)定在0°附近；側(cè)向加速度1～1.1 s達(dá)到峰值并做鋸齒形波動，其峰值約為電機(jī)失效安全控制策略未干預(yù)時(shí)峰值的1/5，1.3～5 s在0 m/s2上下做小幅度鋸齒狀浮動；1 s時(shí)單電機(jī)失效，側(cè)向位移基本保持在0 m的穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.2 雙電機(jī)失效的控制策略和仿真

通過仿真分析可得雙電機(jī)失效后電機(jī)失效安全控制策略干預(yù)和不干預(yù)失效過程的各行駛穩(wěn)定性指標(biāo)變化曲線，如圖6所示。

圖6 雙電機(jī)失效控制

由圖6(a)可知，1 s時(shí)異軸異側(cè)電機(jī)失效，橫擺角速度在1～1.05 s激增至峰值0.058 deg/s，其峰值約為電機(jī)失效安全控制策略未干預(yù)時(shí)峰值的1/4，1.05～1.1 s回落至0.028 deg/s，1.1～1.7 s緩升并趨于穩(wěn)定，1.7～5 s趨于穩(wěn)定，其穩(wěn)定值約為電機(jī)失效安全控制策略未干預(yù)時(shí)峰值的1/4。1 s時(shí)異軸同側(cè)電機(jī)失效，采取關(guān)閉對側(cè)電機(jī)的方式，車輛完全失去動力，橫擺角速度在1～1.5 s存在一次明顯波動，1.5～5 s趨于穩(wěn)定值0 deg/s。

由圖6(b)可知，1 s時(shí)異軸異側(cè)電機(jī)失效，質(zhì)心側(cè)偏角在1～5 s基本維持在0°的穩(wěn)定狀態(tài)。1 s時(shí)異軸同側(cè)電機(jī)失效，采取關(guān)閉對側(cè)電機(jī)的方式，質(zhì)心側(cè)偏角在1～1.5 s之間存在一次明顯波動，在1.5～5 s之間趨于穩(wěn)定值0°。

由圖6(c)可知，1 s時(shí)異軸異側(cè)電機(jī)失效，側(cè)向加速度在1～1.025 s達(dá)到峰值0.003 6 m/s2，其峰值約為電機(jī)失效安全控制策略未干預(yù)時(shí)峰值的1/2，1.3～5 s趨于穩(wěn)定，其穩(wěn)定值約為電機(jī)失效安全控制策略未干預(yù)時(shí)穩(wěn)定值的1/2。1 s時(shí)異軸同側(cè)電機(jī)失效，采取關(guān)閉對側(cè)電機(jī)的方式，側(cè)向加速度在1～1.05 s存在一次明顯波動，1.5～5 s趨于穩(wěn)定值0 m/s2。

由圖6(d)可知，1 s時(shí)異軸異側(cè)電機(jī)失效，車輛向左偏移，最大側(cè)向位移為0.17 m，其峰值約為電機(jī)失效安全控制策略未干預(yù)時(shí)峰值的1/3。1 s時(shí)異軸同側(cè)電機(jī)失效，采取關(guān)閉對側(cè)電機(jī)的方式，側(cè)向位移1～1.5 s存在一次明顯波動，1.5～5 s趨于穩(wěn)定值0 m。

3.2.3 三電機(jī)失效的控制策略和仿真

通過仿真分析可得三電機(jī)失效后電機(jī)失效安全控制策略干預(yù)和不干預(yù)失效過程的各行駛穩(wěn)定性指標(biāo)變化曲線，如圖7所示。

由圖7(a)～圖7(d)可知，1 s時(shí)三電機(jī)失效，橫擺角速度在1～1.5 s激增至峰值并迅速回落趨于穩(wěn)定，1.5～5 s維持在0 deg/s附近；質(zhì)心側(cè)偏角在1～1.5 s激增至峰值并迅速回落趨于穩(wěn)定，1.5～5 s維持在0°附近；側(cè)向加速度在1～1.05 s激增至峰值并迅速回落趨于穩(wěn)定，1.05～5 s維持在0 m/s2附近；側(cè)向位移基本保持在0 m的穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，電機(jī)失效安全控制策略干預(yù)電機(jī)失效過程，橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角和側(cè)向加速度的峰值明顯減小，穩(wěn)定后波動幅度降低，側(cè)向位移基本不變。異軸異側(cè)電機(jī)失效后，橫擺角速度、側(cè)向加速度和側(cè)向位移的峰值和穩(wěn)定值降低但仍存在不穩(wěn)定傾向，質(zhì)心側(cè)偏角在0°附近波動。異軸同側(cè)電機(jī)、三電機(jī)失效后，電機(jī)失效安全控制策略為保證行車安全關(guān)閉正常電機(jī)，車輛完全失去動力，各項(xiàng)指標(biāo)最后均穩(wěn)定在零值附近。電機(jī)失效安全控制策略干預(yù)電機(jī)失效過程能夠?qū)π旭偡€(wěn)定性4項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行控制，有效提高電機(jī)失效后的行駛穩(wěn)定性。

圖7 三電機(jī)失效控制

4 結(jié)論

分布式驅(qū)動電動車直線高速行駛時(shí)，電機(jī)失效會引起行駛穩(wěn)定相關(guān)性指標(biāo)大幅波動，存在行車隱患。筆者提出的電機(jī)失效安全控制策略根據(jù)不同電機(jī)失效情況，提供不同控制方案，能夠改善電機(jī)失效初期引起的橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角和側(cè)向加速度的短時(shí)激增，降低以上3項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定后的幅值，縮短電機(jī)失效后相同時(shí)間內(nèi)側(cè)向位移大小，提高行駛穩(wěn)定性。