四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)穩(wěn)定性控制模型搭建及模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

廖響榮

摘 要：基于CarSim/Simulink平臺(tái)，搭建四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)聯(lián)合仿真控制模型，在雙移線工況下，驗(yàn)證所建立的四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)控制仿真模型的準(zhǔn)確性，結(jié)果顯示，所建立的四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)模型與CarSim里B級(jí)車(chē)模型性能具有高度一致性，這說(shuō)明所搭建的四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)模型具有較高精確度，同時(shí)該模型的搭建也為后續(xù)的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)穩(wěn)定性控制奠定研究基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：輪轂電機(jī);四輪驅(qū)動(dòng);系統(tǒng)建模;準(zhǔn)確性驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：U469.72 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：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(huán)境問(wèn)題日益凸顯，為了緩解上述兩大問(wèn)題，新能源汽車(chē)成為了研究熱點(diǎn)，其中四輪輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)因其動(dòng)力學(xué)控制方面的優(yōu)勢(shì)，成為了電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)突破的方向所在[1-3]。

電動(dòng)汽車(chē)其多體動(dòng)力學(xué)模型的精確度是對(duì)其進(jìn)行研究控制的重要基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[4]提供了二自由度車(chē)輛動(dòng)力學(xué)控制模型研究基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[5]在二自由度車(chē)輛控制模型基礎(chǔ)上，增加車(chē)輛側(cè)傾自由度，構(gòu)造車(chē)輛三自由度模型。上述模型大多基于Matlab/Simulink編程實(shí)現(xiàn)，且建模過(guò)程中假設(shè)了過(guò)多理想化條件，這使得其多體動(dòng)力學(xué)模型準(zhǔn)確性相對(duì)較差，而Carsim是國(guó)際認(rèn)可的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件，具有仿真精度高，運(yùn)算快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)方便用戶設(shè)置仿真工況，但目前Carsim未開(kāi)發(fā)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)模塊，因此，本文基于CarSim/ Similink搭建四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)聯(lián)合仿真平臺(tái)，并驗(yàn)證其模型準(zhǔn)確性，為后續(xù)學(xué)者繼續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

1 CarSim/Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)搭建

1.1 輪轂電機(jī)選型

首先，在Simulink里搭建輪轂電機(jī)模型，其次在CarSim平臺(tái)中設(shè)定外接輪轂電機(jī)接口，最后將所搭建的輪轂電機(jī)模型與CarSim里整車(chē)模型進(jìn)行匹配。本文主要研究的是典型工況下四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)穩(wěn)定性控制模型的準(zhǔn)確性，因此電機(jī)在各轉(zhuǎn)速下的最大驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)力矩是尤為關(guān)鍵指標(biāo)因素，故在搭建輪轂電機(jī)模型時(shí)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，即依據(jù)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能需求對(duì)電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機(jī)選型，確保其滿足整車(chē)動(dòng)力性要求。

依據(jù)四輪驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)研究要求，選取永磁無(wú)刷直流電機(jī)作為電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機(jī)，其峰值扭矩為120N.m，峰值轉(zhuǎn)速為1200r/min，外特性曲線如圖1所示。

從圖1可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于等于基速時(shí)，輪轂電機(jī)控制策略為恒轉(zhuǎn)矩;當(dāng)電機(jī)大于基速時(shí)，電機(jī)功率為峰值功率，若繼續(xù)增大車(chē)輪轉(zhuǎn)速，由于電機(jī)最大功率保持不變，故其提供的最大力矩減小。

1.2 電驅(qū)系統(tǒng)建模

依據(jù)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)CarSim里B級(jí)車(chē)作以下幾點(diǎn)改動(dòng)。首先，切去CarSim里B級(jí)車(chē)原有的動(dòng)力源，并把動(dòng)力源接口更改為由外部提供，其次，將B級(jí)車(chē)其驅(qū)動(dòng)方式由原有的前輪驅(qū)動(dòng)設(shè)置為四輪驅(qū)動(dòng)，最后，由于輪轂電機(jī)安裝在車(chē)輪中，故依據(jù)輪轂電機(jī)重量相應(yīng)增加車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及整車(chē)非簧載質(zhì)量。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模步驟分別如圖2、3及4所示[7-8]。

1.3 制動(dòng)系統(tǒng)建模

四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)力來(lái)源主要由液壓、電機(jī)兩大系統(tǒng)提供。其中，輪轂電機(jī)控制器通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩方向來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)由驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)模式。

由于輪轂電機(jī)制動(dòng)其相對(duì)液壓制動(dòng)具有較快轉(zhuǎn)矩響應(yīng)、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，故車(chē)輪穩(wěn)定性控制系統(tǒng)一般優(yōu)先考慮采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)力矩來(lái)使車(chē)輛穩(wěn)定，同時(shí)極限工況下需液壓制動(dòng)系統(tǒng)介入，因此，在四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)建模時(shí)，需搭建液壓制動(dòng)系統(tǒng)，但由于四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)優(yōu)先使用電機(jī)力矩來(lái)保證車(chē)輛穩(wěn)定性，故可合理降低車(chē)輛前、后輪制動(dòng)效能因素，具體建模如圖5所示。

1.4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模

在不同載荷下輪胎側(cè)偏力與其側(cè)偏角之間關(guān)系如圖6所示。

由于車(chē)輛在高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其輪胎側(cè)偏角較小，故其側(cè)偏力和側(cè)偏角可近似看為線性關(guān)系，結(jié)合牛頓插值法可獲得車(chē)輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)載荷時(shí)的輪胎側(cè)偏剛度。

1.6 懸架建模

在CarSim中獨(dú)立對(duì)懸架參數(shù)化建模，主要包括：懸架剛度、輪距、阻尼參數(shù)以車(chē)輪中心高度。四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)其前、后懸架均采用獨(dú)立懸架，懸架模型分別如圖7、8所示。

2 四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

由于橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角是衡量車(chē)輛穩(wěn)定狀態(tài)的兩個(gè)尤為關(guān)鍵指標(biāo)，為驗(yàn)證所搭建模型的準(zhǔn)確性，在雙移線工況下進(jìn)行仿真試驗(yàn)，對(duì)比CarSim/Simulink搭建的四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)模型與CarSim自帶的模型的橫擺角速度以及質(zhì)心側(cè)偏角曲線，如果吻合度較高說(shuō)明所建立的模型具有較高的準(zhǔn)確性。

試驗(yàn)工況：在附著系數(shù)為0.85的雙移線路面上，四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)以60km/h行駛其試驗(yàn)工況橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角曲線仿真結(jié)果分別如圖9、10所示。

綜合圖9、10可以看出，所建立四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)模型與CarSim里自帶整車(chē)模型輸出的橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角曲線吻合度均較高。仿真結(jié)果表明，所搭建的四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)模型與Carsim自帶的整車(chē)模型動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性大致吻合，所建立的四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)模型具有較高的精確度。

3 結(jié)論

（1）以CarSim里B級(jí)車(chē)為基準(zhǔn)車(chē)建立四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型。

（2）在典型雙移線工況下，驗(yàn)證了該四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)模型的準(zhǔn)確性。

（3）四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)模型精確度的驗(yàn)證為后續(xù)車(chē)輛穩(wěn)定性控制研究奠定良好借鑒基礎(chǔ)。

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