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    四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車性能仿真方法研究

    2019-09-13 07:49:56趙華慧黃兆飛楊鎮(zhèn)瑜
    時代汽車 2019年12期
    關(guān)鍵詞:方程式車輪電動汽車

    趙華慧 黃兆飛 楊鎮(zhèn)瑜

    成都工業(yè)學(xué)院 四川省成都市 610000

    1 前言

    節(jié)能與環(huán)保是21世紀(jì)的發(fā)展主題,而對于汽車行業(yè)來說,純電動汽車完全符合節(jié)能與環(huán)保這一發(fā)展要求,成為未來汽車的一個主要發(fā)展方向。四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車作為純電動汽車中的一種,因其動力獨(dú)立可控,便于實(shí)現(xiàn)差速控制、原地轉(zhuǎn)向等功能,成為時下汽車行業(yè)的一個研發(fā)重點(diǎn)[1]。

    仿真技術(shù)的出現(xiàn),使得汽車產(chǎn)品的研發(fā)成本和周期得到了大大的降低,而且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,汽車行業(yè)常用的仿真軟件的仿真結(jié)果和實(shí)際誤差越來越小,使得仿真分析已經(jīng)成為汽車研發(fā)過程中必不可少的一個階段。對于四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車的研發(fā)可以追溯到1898年,但是,經(jīng)過這一百多年的發(fā)展,只有極少部分國家有成熟的四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車車型上市,絕大部分國家的四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車還處于概念車的階段[2]。國內(nèi)各大高校也致力于四輪獨(dú)立驅(qū)動電動車的研發(fā),但都把研發(fā)重點(diǎn)放在了驅(qū)動力分配、電子差速控制以及驅(qū)動防滑控制等方面[2-4],卻沒有一家機(jī)構(gòu)建立一款行業(yè)通用的四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車仿真模型。

    因此,本文以一款四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車為研究對象,首先建立該款電動汽車的動力學(xué)模型,然后根據(jù)動力學(xué)模型,采用行業(yè)內(nèi)常用的CRUISE和MATLAB兩款軟件分別建立整車動力性能的仿真模型并進(jìn)行仿真分析,對比兩款軟件建立的仿真模型的優(yōu)劣,為四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車的發(fā)展提供一定的理論支撐。

    2 四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車動力學(xué)模型

    汽車的行駛系統(tǒng)是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng),為了便于仿真模型的建立,本文對一些次要因素進(jìn)行簡化,只建立關(guān)鍵部件的動力學(xué)模型。

    2.1 車身模型

    圖1 車身受力圖

    由圖1可知,汽車在行駛過程中,根據(jù)汽車?yán)碚撘约肮こ塘W(xué)知識可知,汽車車身的受力平衡方程為:

    在方程式中,m1指汽車的車身質(zhì)量,(kg);Fp1指車軸上所受縱向力的和,(N);Fw是指空氣阻力,(N);G1指汽車車身的重力,(N);α指道路坡度,(°)是指汽車的加速度,(m/s2)。

    2.2 電機(jī)模型

    本文研究的汽車的電機(jī)是一款PSM電機(jī)(永磁同步電機(jī)),電機(jī)的參數(shù)如表1所示。

    表1 電機(jī)參數(shù)

    根據(jù)電機(jī)的輸出扭矩曲線,擬合出的電機(jī)輸出扭矩為:

    式中,Tm為電機(jī)轉(zhuǎn)矩(N·m);nm為電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)。

    2.3 輪胎模型

    輪胎的受力圖如圖2所示。

    圖2 輪胎受力圖

    輪胎的受力平衡方程為:

    在方程式中,F(xiàn)p2是指車軸作用在車輪上的縱向合力,(N);Fx是指路面作用在車輪的切向反作用力,(N);mi是指車輪質(zhì)量,(kg);Gi是指汽車車輪重力,(N)。

    忽略汽車車輪上面的慣性阻力矩,地面作用在車輪上的切向反力的表達(dá)式為:

    在方程式中,Tf是指車輪上的滾動阻力矩,(N·m);ri是指汽車的車輪半徑,(m)。

    2.4 汽車的行駛方程式

    由驅(qū)動力和行駛阻力的平衡關(guān)系,可知汽車的行駛方程式為:

    在方程式中,f為汽車滾動阻力系數(shù);i為汽車的爬坡度;為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

    3 四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車動力性能仿真分析

    為了建立行業(yè)通用的四輪獨(dú)立驅(qū)動電動汽車的仿真模型,本文選取兩款電動汽車常用的仿真軟件——CRUISE和MATLAB,分別建立整車的仿真模型,并進(jìn)行仿真分析。

    3.1 基于CRUISE的動力性能仿真分析

    AVL CRUISE是在ADVISOR基礎(chǔ)上研發(fā)的一款用于汽車仿真的軟件,主要用于車輛的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性的仿真分析[1]。這款軟件由于其模塊化的設(shè)計,廣泛受到車輛企業(yè)和高校的青睞。

    基于AVL CRUISE建立的整車仿真模型如圖3所示,該模型包括:整車模塊、能耗模塊、驅(qū)動電機(jī)模塊、電池模塊、制動器模塊、駕駛室模塊、MATLAB模塊、車輪模塊和減速器模塊。

    最大爬坡度仿真結(jié)果如圖4所示。

    圖3 基于CRUISE建立的整車仿真模型

    3.2 基于MATLAB的動力性能仿真分析

    圖4 最大爬坡度

    汽車在行駛過程中,最大爬坡度的表達(dá)式為[5]:

    基于MATLAB建立的最大爬坡度的仿真模型如圖5所示:

    仿真結(jié)果如圖6所示:

    4 結(jié)論

    通過兩款軟件對最大爬坡的仿真分析可以看出,CRUIE建立仿真模型簡單方便,但只能分析直線行駛工況;MATLAB可以模擬分析汽車的各種行駛工況,但其仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于動力學(xué)模型的準(zhǔn)確程度。因此,在進(jìn)行車輛性能的仿真分析時,應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的需要選取不同的仿真方式。

    圖5 基于MATLAB的最大爬坡度仿真模型

    圖6 最大爬坡度

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