高欣然，蹇小平，鄧家奇（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安　710064）

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基于ADVISOR的四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

高欣然，蹇小平，鄧家奇
（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安710064）

摘要：首先提出了試驗(yàn)車動(dòng)力性要求，對輪轂電機(jī)及動(dòng)力電池進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算與選型，采用ADVISRO建立了整車動(dòng)力系統(tǒng)模型，并對其進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所選取的輪轂電機(jī)及動(dòng)力電池均滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：輪轂電機(jī)；電動(dòng)汽車；四輪驅(qū)動(dòng)；動(dòng)力系統(tǒng)；ADVISOR仿真

1　概述

隨著電動(dòng)汽車在汽車工業(yè)發(fā)展中的地位顯著提升，基于輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車技術(shù)，可以極大地簡化整車總布置結(jié)構(gòu)，減少整車質(zhì)量；同時(shí)其四輪驅(qū)動(dòng)力矩、轉(zhuǎn)速均便于測量且獨(dú)立可控，在提高車輛操縱穩(wěn)定性、加強(qiáng)主動(dòng)安全控制和提高制動(dòng)能量回收效率等方面具有顯著優(yōu)勢，因而成為世界各大汽車公司和科研院所的關(guān)注熱點(diǎn)。

由美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室NREL開發(fā)的仿真軟件ADVISOR是一種基于MATLAB／SIMULINK環(huán)境的仿真軟件。ADVISOR采用了以后向仿真為主、前向仿真為輔的混合仿真方法，較好地集成了兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，既使得仿真計(jì)算量較小、運(yùn)算速度較快，又保證了仿真結(jié)果的精度。但是ADVISOR模型設(shè)計(jì)中默認(rèn)為前軸驅(qū)動(dòng)，不能對四輪驅(qū)動(dòng)車輛進(jìn)行性能仿真。

本文先對輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)分類和對整車動(dòng)力學(xué)性能的影響進(jìn)行了分析，并對基于輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)試驗(yàn)車進(jìn)行了整車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，進(jìn)而以ADVISOR2002軟件為平臺，開發(fā)了四輪驅(qū)動(dòng)汽車性能仿真模塊，并對整車性能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2　輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)分析及對整車動(dòng)力學(xué)性能的影響

2.1輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)

目前車用輪轂電機(jī)按照驅(qū)動(dòng)方式主要分為高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)和低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）高速內(nèi)轉(zhuǎn)子型輪轂電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、噪音小、比功率高、效率高、成本低，其最高轉(zhuǎn)速通常設(shè)計(jì)在2000r／min以上，較為適合現(xiàn)代高性能電動(dòng)汽車的運(yùn)行要求。但由于轉(zhuǎn)速較高，需要在輪轂的有限空間里增加布置減速機(jī)構(gòu)，以獲得起動(dòng)及爬坡時(shí)所需要的足夠大的扭矩，機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

2）低速內(nèi)轉(zhuǎn)子型輪轂電機(jī)的低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子直接安裝在輪轂上，電機(jī)轉(zhuǎn)速與車輪轉(zhuǎn)速相等，不需要變速裝置。低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)體積大、質(zhì)量大、成本高，但結(jié)構(gòu)簡單，無需齒輪變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。這樣可平衡整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量和功率密度［1］。

圖1　　輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2輪轂電機(jī)對整車動(dòng)力學(xué)性能的影響及改進(jìn)策略

輪轂電機(jī)直接安裝在車輪上，增大了簧下質(zhì)量，從而造成了車輛乘坐舒適性變差，也對整車行駛穩(wěn)定性有一定的不利影響。王志強(qiáng)［2］針對輪轂電機(jī)對整車影響進(jìn)行了全面的操縱穩(wěn)定性和平順性試驗(yàn)，通過對所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得出了簧下質(zhì)量的增加會(huì)增大轉(zhuǎn)向輪橫擺趨勢，并增大車輪動(dòng)載荷，降低輪胎等效側(cè)偏剛度，從而影響轉(zhuǎn)向特性。方義［3］通過建立電動(dòng)汽車1／4垂向振動(dòng)模型進(jìn)行仿真分析，并與道路試驗(yàn)結(jié)果對比，得出非簧載質(zhì)量的增加對車身垂直振動(dòng)加速度的影響與激勵(lì)輸入有一定的關(guān)系，在脈沖激勵(lì)輸入下影響不是很明顯，在隨機(jī)激勵(lì)輸入和正弦波激勵(lì)輸入下均有一定增長。

音樂劇的演唱都是角色演唱。從技術(shù)上來講，不同于傳統(tǒng)的古典唱法追求大的音量和共鳴，音樂劇的演唱大多追求一種自然的，近似說話的演唱方式。音樂劇演員在演出時(shí)都會(huì)配有麥克風(fēng)，所以在演唱時(shí)演員也沒有必要去追求大的音量和共鳴。之所以音樂劇演唱要像說話一樣，歸根結(jié)底是由其以戲?yàn)楸镜奶匦詻Q定的。

為改進(jìn)輪轂電機(jī)對整車動(dòng)力學(xué)性能的不利影響，馬英等［4］以輪轂電機(jī)垂向運(yùn)動(dòng)的最大位移為約束條件，以車輛平順性指標(biāo)的最小均方根值為優(yōu)化目標(biāo)，應(yīng)用Patternsearch函數(shù)對輪轂電機(jī)懸架構(gòu)型進(jìn)行了優(yōu)化，其仿真結(jié)果表明整車的平順性有了較好的提高。李剛［5］利用四輪輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車四輪驅(qū)動(dòng)力矩獨(dú)立可控和轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速易于測得的特點(diǎn)，通過基于模糊理論路面識別的驅(qū)動(dòng)防滑控制研究，實(shí)現(xiàn)了對驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)ASR更為精確的控制，提高了整車動(dòng)力性和行駛穩(wěn)定性。

3　整車性能參數(shù)設(shè)計(jì)

電動(dòng)試驗(yàn)車的設(shè)計(jì)目標(biāo)是針對輪轂電機(jī)在四輪力矩及轉(zhuǎn)速獨(dú)立控制、制動(dòng)能量回收、四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)等領(lǐng)域的研究提供試驗(yàn)平臺，而非面向市場的民用車輛。因而在滿足試驗(yàn)所需動(dòng)力性能的前提下，不對試驗(yàn)車做更高的性能要求，以節(jié)約成本。整車性能目標(biāo)參數(shù)如下：最高車速νmax為50km／h，0—40km／h加速時(shí)間為15s，最大爬坡度i為12%，續(xù)駛里程S為50km。

3.1輪轂電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1.1輪轂電機(jī)最大功率

根據(jù)汽車行駛功率平衡方程，電動(dòng)汽車的功率計(jì)算公式如下：

式中：Pe——電機(jī)功率；m——整車總質(zhì)量，kg；f——路面滾動(dòng)阻力系數(shù)；α——坡道角度，（°）；A——汽車行駛方向的迎風(fēng)面積，m2；Cd——空氣阻力系數(shù)；δ——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；——整車加速度，m／s2；η——傳動(dòng)效率，取0.9；va——汽車行駛速度，km／h。

3.1.2輪轂電機(jī)最大扭矩

式中：Ttq——驅(qū)動(dòng)力矩；ig——變速器傳動(dòng)比，i0——主減速器傳動(dòng)比，本試驗(yàn)車由輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，故均取1；r——輪胎滾動(dòng)半徑。

3.1.3輪轂電機(jī)最高轉(zhuǎn)速

輪轂電機(jī)輸出的最高轉(zhuǎn)速由整車設(shè)計(jì)最高車速?zèng)Q定。

式中：nmax——電機(jī)最高轉(zhuǎn)速；vmax——整車最高車速；r——車輪滾動(dòng)半徑。

3.2動(dòng)力電池參數(shù)設(shè)計(jì)

動(dòng)力蓄電池組電壓應(yīng)與輪轂電機(jī)的額定電壓相匹配。電池的能量W和容量Q決定了電動(dòng)試驗(yàn)車的續(xù)駛里程，其計(jì)算公式分別為：

式中：Paver——電動(dòng)試驗(yàn)車以平均車速vaver行駛時(shí)的功率，kW；S——續(xù)駛里程，km；Pmax——以最高車速vmax行駛時(shí)的功率，kW；U——?jiǎng)恿﹄姵仉妷?，V。

3.3整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的確定

電動(dòng)試驗(yàn)車整車設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1　　電動(dòng)試驗(yàn)車整車設(shè)計(jì)參數(shù)

作為電動(dòng)試驗(yàn)車，還需搭載一名駕駛員及一名試驗(yàn)員，整車總質(zhì)量應(yīng)為整備質(zhì)量與乘員質(zhì)量 （按每人75 kg計(jì)）之和，為850 kg。將以上參數(shù)帶入式 （1）～ （3），得電機(jī)所需最大總功率為4.255kW，最大總扭矩為272.73Nm，最高轉(zhuǎn)速為608.4r／min。參照計(jì)算所得電機(jī)參數(shù)，選擇了揚(yáng)州科光技術(shù)發(fā)展有限公司的KG205-2型電機(jī)，其額定電壓為60 V，額定功率為2 kW，最大功率5.49 kW，最大扭矩79.4 Nm，最高轉(zhuǎn)速為700 r／min。本車采用4臺電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，能夠滿足各項(xiàng)所需動(dòng)力參數(shù)要求。

根據(jù)所選電機(jī)參數(shù)，確定動(dòng)力蓄電池組電壓U為60 V。取平均行駛車速vaver為40 km／h，對應(yīng)的電機(jī)總功率Paver為2.06kW；vmax=50km／h時(shí)，Pmax=2.93kW；將以上參數(shù)帶入式（4）、（5），得：W=2.58kWh，Q=48.83 Ah。選擇三門峽興邦特種膜科技發(fā)展有限公司的XBIFP-2770185-20 000 mAh型鋰離子電池包，總能量為3.6 kWh，總?cè)萘繛?0Ah，均能滿足設(shè)計(jì)要求。

4　基于ADVISOR的四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)車動(dòng)力性仿真

ADVISOR軟件是基于MATLAB和SIMULINK軟件環(huán)境下開發(fā)的車輛仿真軟件，其分析結(jié)果已被大量的實(shí)踐證明擁有良好的可靠性與實(shí)用性。但由于ADVISOR軟件平臺只提供前輪驅(qū)動(dòng)模式，故在進(jìn)行仿真前，需要重新建立相關(guān)仿真模塊。

在一定坡度路面上的四輪驅(qū)動(dòng)汽車，在極限附著情況下驅(qū)動(dòng)力所能產(chǎn)生的汽車最大末速度v1為

式中：α——行駛路面坡度；f1、f2——分別為汽車前后輪滾動(dòng)阻力系數(shù)；ρ——空氣密度，kg／m3；v0、vt——迭代初、末速度，m／s；dt——迭代時(shí)步，s。

圖2　　驅(qū)動(dòng)力控制模塊

根據(jù)式 （6）在MATLAB／SIMULINK中建立雙軸驅(qū)動(dòng)限速子模塊 （圖2），并嵌入ADVISOR2002的車輛控制系統(tǒng)庫中［6］。根據(jù)本車設(shè)計(jì)參數(shù)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，在ADVISOR中分別建立相應(yīng)Vehicle（整車模型）、Energy Storage（能量存儲單元模型）、Motor（驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型）、Transmission（傳動(dòng)系統(tǒng)模型）、Wheel／Axle（車輪／軸模型）、Accessory（附加件模型）等模塊。

本次仿真采用ADVISOR中自帶的CYC_5PEAK循環(huán)工況，該工況要求的速度—時(shí)間曲線如圖3中藍(lán)色曲線cyc_kph_r所示，動(dòng)力性能仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　　試驗(yàn)車車速變化曲線

圖4　　電池剩余電量ess_soc_hit變化曲線

仿真結(jié)果如下：試驗(yàn)車的仿真最高車速可達(dá)81.4 km／h，0—40km／h加速時(shí)間為13.7s，0—50km／h加速時(shí)間為21.5 s，車速為4.8 km／h時(shí)的最大爬坡度為11.3%，最大續(xù)駛里程為62.3km。

5　結(jié)論

根據(jù)四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)車的動(dòng)力性要求特點(diǎn)，確定其初步設(shè)計(jì)目標(biāo)；通過計(jì)算確定了整車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與動(dòng)力電池相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行了整車仿真。由仿真結(jié)果知試驗(yàn)車在最高車速、最大爬坡度和續(xù)駛里程上基本滿足了設(shè)計(jì)要求。為下一步進(jìn)行試驗(yàn)車平臺搭建提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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［4]馬英，鄧兆祥，謝丹.輪轂電機(jī)懸架構(gòu)型分析與優(yōu)化［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2014（9）：3 008-3014.

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［6]曾小華，宮維鈞.ADVISOR2002電動(dòng)汽車仿真與再開發(fā)應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

（編輯文珍）

中圖分類號：U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）01－0026－04

收稿日期：2015-12-02；修回日期：2015-12-21

作者簡介：高欣然 （1989-）男，陜西榆林人，長安大學(xué)汽車學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車，244270198@ qq.com。

Power System Design and Simulation for Four Wheel Hub Motor Driving Test Vehicle Based on ADVISOR

GAO Xin-ran，JIAN Xiao-ping，DENG Jia-qi
（School of Automobile，Chang’an University，Xi’an 710064，China）

Abstract：First the power requirement of the test vehicle is presented,then the parameters of the wheel hub motor and the power battery are calculated and selected.The vehicle power system model is set up with ADVISOR and it is simulation analyzed.The simulation result shows that all the selected wheel hub motor and power battery can meet design requirements.

Key words：wheel hub motor；EV；four wheel drive；power system；ADVISOR simulation