基于ADVISOR的四轮轮毂电机驱动试验车动力系统设计及仿真

高欣然，蹇小平，邓家奇（长安大学汽车学院，陕西 西安　710064）



基于ADVISOR的四轮轮毂电机驱动试验车动力系统设计及仿真

高欣然，蹇小平，邓家奇
（长安大学汽车学院，陕西 西安710064）

摘要：首先提出了试验车动力性要求，对轮毂电机及动力电池进行了参数计算与选型，采用ADVISRO建立了整车动力系统模型，并对其进行了仿真分析。仿真结果验证了所选取的轮毂电机及动力电池均满足设计要求。

关键词：轮毂电机；电动汽车；四轮驱动；动力系统；ADVISOR仿真

1　概述

随着电动汽车在汽车工业发展中的地位显著提升，基于轮毂电机四轮驱动的纯电动汽车技术，可以极大地简化整车总布置结构，减少整车质量；同时其四轮驱动力矩、转速均便于测量且独立可控，在提高车辆操纵稳定性、加强主动安全控制和提高制动能量回收效率等方面具有显著优势，因而成为世界各大汽车公司和科研院所的关注热点。

由美国可再生能源实验室NREL开发的仿真软件ADVISOR是一种基于MATLAB／SIMULINK环境的仿真软件。ADVISOR采用了以后向仿真为主、前向仿真为辅的混合仿真方法，较好地集成了两种方法的优点，既使得仿真计算量较小、运算速度较快，又保证了仿真结果的精度。但是ADVISOR模型设计中默认为前轴驱动，不能对四轮驱动车辆进行性能仿真。

本文先对轮毂电机结构分类和对整车动力学性能的影响进行了分析，并对基于轮毂电机四轮驱动的电动试验车进行了整车动力系统参数匹配设计，进而以ADVISOR2002软件为平台，开发了四轮驱动汽车性能仿真模块，并对整车性能进行了仿真验证。

2　轮毂电机结构分析及对整车动力学性能的影响

2.1轮毂电机结构

目前车用轮毂电机按照驱动方式主要分为高速内转子电机和低速外转子电机，结构如图1所示。

1）高速内转子型轮毂电机的优点是质量轻、噪音小、比功率高、效率高、成本低，其最高转速通常设计在2000r／min以上，较为适合现代高性能电动汽车的运行要求。但由于转速较高，需要在轮毂的有限空间里增加布置减速机构，以获得起动及爬坡时所需要的足够大的扭矩，机械结构比较复杂。

2）低速内转子型轮毂电机的低速外转子电机永磁转子直接安装在轮毂上，电机转速与车轮转速相等，不需要变速装置。低速外转子电机体积大、质量大、成本高，但结构简单，无需齿轮变速传动机构。这样可平衡整个驱动系统的质量和功率密度［1］。

图1　　轮毂电机结构

2.2轮毂电机对整车动力学性能的影响及改进策略

轮毂电机直接安装在车轮上，增大了簧下质量，从而造成了车辆乘坐舒适性变差，也对整车行驶稳定性有一定的不利影响。王志强［2］针对轮毂电机对整车影响进行了全面的操纵稳定性和平顺性试验，通过对所得试验数据进行处理分析，得出了簧下质量的增加会增大转向轮横摆趋势，并增大车轮动载荷，降低轮胎等效侧偏刚度，从而影响转向特性。方义［3］通过建立电动汽车1／4垂向振动模型进行仿真分析，并与道路试验结果对比，得出非簧载质量的增加对车身垂直振动加速度的影响与激励输入有一定的关系，在脉冲激励输入下影响不是很明显，在随机激励输入和正弦波激励输入下均有一定增长。

音乐剧的演唱都是角色演唱。从技术上来讲，不同于传统的古典唱法追求大的音量和共鸣，音乐剧的演唱大多追求一种自然的，近似说话的演唱方式。音乐剧演员在演出时都会配有麦克风，所以在演唱时演员也没有必要去追求大的音量和共鸣。之所以音乐剧演唱要像说话一样，归根结底是由其以戏为本的特性决定的。

为改进轮毂电机对整车动力学性能的不利影响，马英等［4］以轮毂电机垂向运动的最大位移为约束条件，以车辆平顺性指标的最小均方根值为优化目标，应用Patternsearch函数对轮毂电机悬架构型进行了优化，其仿真结果表明整车的平顺性有了较好的提高。李刚［5］利用四轮轮毂电机独立驱动电动汽车四轮驱动力矩独立可控和转矩、转速易于测得的特点，通过基于模糊理论路面识别的驱动防滑控制研究，实现了对驱动防滑系统ASR更为精确的控制，提高了整车动力性和行驶稳定性。

3　整车性能参数设计

电动试验车的设计目标是针对轮毂电机在四轮力矩及转速独立控制、制动能量回收、四轮转向技术等领域的研究提供试验平台，而非面向市场的民用车辆。因而在满足试验所需动力性能的前提下，不对试验车做更高的性能要求，以节约成本。整车性能目标参数如下：最高车速νmax为50km／h，0—40km／h加速时间为15s，最大爬坡度i为12%，续驶里程S为50km。

3.1轮毂电机的参数设计

3.1.1轮毂电机最大功率

根据汽车行驶功率平衡方程，电动汽车的功率计算公式如下：

式中：Pe——电机功率；m——整车总质量，kg；f——路面滚动阻力系数；α——坡道角度，（°）；A——汽车行驶方向的迎风面积，m2；Cd——空气阻力系数；δ——汽车旋转质量换算系数；——整车加速度，m／s2；η——传动效率，取0.9；va——汽车行驶速度，km／h。

3.1.2轮毂电机最大扭矩

式中：Ttq——驱动力矩；ig——变速器传动比，i0——主减速器传动比，本试验车由轮毂电机直接驱动，故均取1；r——轮胎滚动半径。

3.1.3轮毂电机最高转速

轮毂电机输出的最高转速由整车设计最高车速决定。

式中：nmax——电机最高转速；vmax——整车最高车速；r——车轮滚动半径。

3.2动力电池参数设计

动力蓄电池组电压应与轮毂电机的额定电压相匹配。电池的能量W和容量Q决定了电动试验车的续驶里程，其计算公式分别为：

式中：Paver——电动试验车以平均车速vaver行驶时的功率，kW；S——续驶里程，km；Pmax——以最高车速vmax行驶时的功率，kW；U——动力电池电压，V。

3.3整车驱动系统参数的确定

电动试验车整车设计参数如表1所示。

表1　　电动试验车整车设计参数

作为电动试验车，还需搭载一名驾驶员及一名试验员，整车总质量应为整备质量与乘员质量 （按每人75 kg计）之和，为850 kg。将以上参数带入式 （1）～ （3），得电机所需最大总功率为4.255kW，最大总扭矩为272.73Nm，最高转速为608.4r／min。参照计算所得电机参数，选择了扬州科光技术发展有限公司的KG205-2型电机，其额定电压为60 V，额定功率为2 kW，最大功率5.49 kW，最大扭矩79.4 Nm，最高转速为700 r／min。本车采用4台电机共同驱动，能够满足各项所需动力参数要求。

根据所选电机参数，确定动力蓄电池组电压U为60 V。取平均行驶车速vaver为40 km／h，对应的电机总功率Paver为2.06kW；vmax=50km／h时，Pmax=2.93kW；将以上参数带入式（4）、（5），得：W=2.58kWh，Q=48.83 Ah。选择三门峡兴邦特种膜科技发展有限公司的XBIFP-2770185-20 000 mAh型锂离子电池包，总能量为3.6 kWh，总容量为60Ah，均能满足设计要求。

4　基于ADVISOR的四轮轮毂电机驱动试验车动力性仿真

ADVISOR软件是基于MATLAB和SIMULINK软件环境下开发的车辆仿真软件，其分析结果已被大量的实践证明拥有良好的可靠性与实用性。但由于ADVISOR软件平台只提供前轮驱动模式，故在进行仿真前，需要重新建立相关仿真模块。

在一定坡度路面上的四轮驱动汽车，在极限附着情况下驱动力所能产生的汽车最大末速度v1为

式中：α——行驶路面坡度；f1、f2——分别为汽车前后轮滚动阻力系数；ρ——空气密度，kg／m3；v0、vt——迭代初、末速度，m／s；dt——迭代时步，s。

图2　　驱动力控制模块

根据式 （6）在MATLAB／SIMULINK中建立双轴驱动限速子模块 （图2），并嵌入ADVISOR2002的车辆控制系统库中［6］。根据本车设计参数及驱动系统参数，在ADVISOR中分别建立相应Vehicle（整车模型）、Energy Storage（能量存储单元模型）、Motor（驱动电机模型）、Transmission（传动系统模型）、Wheel／Axle（车轮／轴模型）、Accessory（附加件模型）等模块。

本次仿真采用ADVISOR中自带的CYC_5PEAK循环工况，该工况要求的速度—时间曲线如图3中蓝色曲线cyc_kph_r所示，动力性能仿真结果如图3和图4所示。

图3　　试验车车速变化曲线

图4　　电池剩余电量ess_soc_hit变化曲线

仿真结果如下：试验车的仿真最高车速可达81.4 km／h，0—40km／h加速时间为13.7s，0—50km／h加速时间为21.5 s，车速为4.8 km／h时的最大爬坡度为11.3%，最大续驶里程为62.3km。

5　结论

根据四轮轮毂电机驱动试验车的动力性要求特点，确定其初步设计目标；通过计算确定了整车的驱动电机与动力电池相关参数，并进行了整车仿真。由仿真结果知试验车在最高车速、最大爬坡度和续驶里程上基本满足了设计要求。为下一步进行试验车平台搭建提供了理论依据。

参考文献：

［1］柴陆路，刘洲辉，罗寥.轮毂电机式纯电动汽车平台的建立［J］.汽车工程师，2009（8）：28-29.

［2］汪志强.轮毂电机对车辆操纵稳定性和平顺性的影响研究［D］.吉林大学，2014.

［3]方义.轮毂电机直接驱动对电动汽车行驶平顺性的影响［D］.吉林大学，2012.

［4]马英，邓兆祥，谢丹.轮毂电机悬架构型分析与优化［J］.中南大学学报 （自然科学版），2014（9）：3 008-3014.

［5]李刚.线控四轮独立驱动轮毂电机电动汽车稳定性与节能控制研究［D］.吉林大学，2013.

［6]曾小华，宫维钧.ADVISOR2002电动汽车仿真与再开发应用［M］.北京：机械工业出版社，2014.

（编辑文珍）

中图分类号：U469.72

文献标识码：A

文章编号：1003－8639（2016）01－0026－04

收稿日期：2015-12-02；修回日期：2015-12-21

作者简介：高欣然 （1989-）男，陕西榆林人，长安大学汽车学院硕士研究生，主要研究方向为电动汽车，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