適用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的輪轂電機四輪驅動動力系統(tǒng)開發(fā)

羅映 徐熊 王淑超 趙宗凱 盧浩 李靖 趙磊

摘要：輪轂電機和四輪驅動具有獨特的性能優(yōu)勢，本文對動力系統(tǒng)進行詳細計算，設計了一款適用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的電動四輪獨立驅動線控動力系統(tǒng)。

關鍵詞：智能網(wǎng)聯(lián)汽車;輪轂電機;動力系統(tǒng)

0? 引言

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

①將汽車的動力、傳動、制動等系統(tǒng)集中在車輪內部，簡化了車輛的機械結構，從而降低了生產和維護成本、降低故障率。②整車質量降低，從而降低整車能量消耗，且更容易實現(xiàn)制動能量回收，增加續(xù)駛里程。③提高了整車的靈活性，采用四輪獨立驅動，可實現(xiàn)較小的轉彎半徑，甚至能夠實現(xiàn)原地轉向。④提高了整車可靠性，智能網(wǎng)聯(lián)汽車最終將實現(xiàn)無人駕駛，而采用四輪獨立驅動線控底盤，即使有兩個驅動輪失去動力，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電動汽車的四輪全部改裝成輪轂電機，采用自研的整車控制器VCU通過CAN總線與四個車輪的電機驅動器進行通訊，對整車控制算法進行了建模，最終實現(xiàn)四輪獨立驅動，可用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的研發(fā)和功能測試，為實現(xiàn)無人駕駛打下了基礎。

1? 整車動力性計算

汽車的動力性能評價指標包括最大車速、最大加速度和最大爬坡度，根據(jù)GB/T28382-2012標準要求，取動力性能指標如表1所示。

本文是在北汽新能源EV150電動汽車上進行改裝，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 最高車速計算[3]

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

其中滾動阻力Ff為滾動阻力系數(shù)與車輪負荷的乘積，一般的瀝青或混凝土路面的滾動阻力系數(shù)為0.018-0.020，取上限值f=0.020作為滾動阻力系數(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、內循環(huán)阻力、誘導阻力以及摩擦阻力，其中占據(jù)較大比例的為形狀阻力，經(jīng)驗公式：

CD表示空氣阻力系數(shù);A表示迎風面積（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表示汽車行駛相對速度，此處不考慮風的影響，所以ut即汽車的行駛速度。當前大多數(shù)轎車的空氣阻力系數(shù)CD值為0.30以下，為保證所設計整車的動力性充足，故將空氣阻力的值CD取為0.3，已知迎風面積約為1.9m2，因此當汽車以最大速度120km/h在良好路面上行駛時，其消耗的功率：

1.2 最大加速度計算[3]

國標GB/T28382-2012提出純電動車輛0-50km/h加速時間應不超過10s（對應加速度為1.389m/s2）。當汽車在良好的路面上進行加速行駛時，鑒于汽車驅動電機外特性，定義汽車從靜止以恒定最大加速度加速至50km/h，此時汽車的行駛阻力主要包括滾動阻力、空氣阻力和加速阻力，滾動阻力Ff和空氣阻力Fw與計算最高車速時類似。

由于本車設計為采用輪轂電機的電動汽車，無傳動系及變速器，所以僅考慮車輪的旋轉慣量，經(jīng)計算輪轂、輪胎、剎車盤和輪轂電機的轉動慣量如表3所示，代入公式2.1.2c計算可得旋轉質量換算系數(shù)值為1.029：

1.3 最大爬坡度計算[3]

汽車低速狀態(tài)下在最大爬坡度所對應的坡道上行，能夠保證自身動力性的狀態(tài)下，汽車的行駛阻力主要由滾動阻力、空氣阻力以及坡度阻力構成。且滾動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所必須克服的坡度阻力。

當汽車在最大爬坡度（20%）所對應的坡道（約為11.3°）上行，以12km/h的速度勻速行駛時（此時也可以忽略空氣阻力，因為是最低車速，這時的功率應該根據(jù)TNP的關系來算），其消耗的功率及對應扭矩：

根據(jù)上述分析和計算，所選電機的總功率不小于34kW，總力矩不小于986N·m，由于是四輪驅動電機，因此單個電機的功率不小于6.8kW，力矩不小于246.5N·m。

2? 電機選型

目前，可以應用于輪轂電機四輪驅動電動汽車的電機地類型主要為：無刷直流電機、開關磁阻電機、感應電機和永磁同步電機，由于永磁同步電機體積小、質量輕、可靠性高，并且在運行的過程中噪音和振動比其他電機都表現(xiàn)出了良好的性能，所以選用永磁同步電機并選配了相應的電機驅動器，如圖2所示為電機和驅動器實物。

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

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

3? 線控動力系統(tǒng)控制實現(xiàn)

如圖3所示，該線控動力驅動系統(tǒng)由4個獨立的輪轂電機、每一個輪轂電機配有各自的電機驅動器，工作時互相獨立不干涉，4個電機均裝有旋轉變壓器，以實時反饋電機旋轉的角度和轉速。驅動模式有兩種：轉速PID閉環(huán)控制模式和轉矩PID閉環(huán)控制模式。該線控動力驅動系統(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，解算成速度或轉矩信號后通過CAN-BUS總線發(fā)送至電機驅動器，來實現(xiàn)四個輪的獨立驅動。

需要注意的是：安裝前必須針對電機參數(shù)對驅動器進行各項參數(shù)標定，才能實現(xiàn)在不同行駛工況下對電機的轉速和轉矩進行精確控制，根據(jù)控制要求，制定通訊協(xié)議如表6所示。

動力驅動系統(tǒng)由整車控制器VCU作為核心控制器，通過CAN總線與各輪轂電機驅動器實現(xiàn)信號收發(fā)，驅動器根據(jù)接收到的VCU的控制信號對電機的轉矩和轉速進行控制（如圖4所示）。在整個過程中，旋轉變壓器、輪速傳感器和扭矩傳感器持續(xù)工作，實時監(jiān)測車輪轉速和車輪轉矩，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，對發(fā)出的控制信號進行實時調整，精準控制電機轉速和轉矩，其控制模式又細分為轉矩閉環(huán)PID控制以及轉速閉環(huán)PID控制。

4? 控制系統(tǒng)建模

本模型采用simulink軟件對驅動控制系統(tǒng)進行建模，硬件采用PM-ECMV2可配置控制器，功能包括：人工駕駛控制模式、自動駕駛線控模式、仿真調試模式。

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、四輪驅動處理模塊、執(zhí)行器控制模塊等組成。

4.1 人工駕駛控制模式

控制使用的信號有加速信號、制動信號、檔位信號、車速信號、停止信號，然后計算得到輸出整車控制扭矩，發(fā)送給四輪驅動模塊然后分配給4個驅動輪。

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

4.2 自動駕駛線控模式

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

4.3 仿真模式

當檢測到由人工駕駛模式進入到仿真調試模式時，系統(tǒng)自動進入到仿真調試模式，該模式下，所有輸入和輸出信號參數(shù)均可通過仿真模型進行在線修改，在仿真環(huán)境中驗證控制算法，控制模型如圖8所示。

5? 總結

本文對輪轂電機四輪驅動電動汽車的線控驅動系統(tǒng)的動力系統(tǒng)進行了計算，并對控制系統(tǒng)進行了詳細設計，最后經(jīng)實車實驗（如圖9所示），完成了對動力系統(tǒng)設計的功能和性能驗證。實驗證明，最高車速121km/h，最高爬坡度20%，最大加速1.83m/s2，滿足設計要求。

參考文獻：

[1]陳國迎.四輪獨立線控電動汽車試驗平臺搭建與集成控制策略研究[D].長春：吉林大學，2012.

[2]張玉良.體驗北汽純電動汽車E150EV[D].青海：青?？萍迹?012.

[3]余志生，汽車理論[M].五版.北京：機械工業(yè)出版社，2015.