电动轮汽车差速控制策略及仿真

2016-08-21徐凌

汽车工程师 2016年7期

徐凌

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

汽车的差速问题主要是指车轮旋转线速度不能与该车轮的轮心速度相协调。汽车出现差速的工况可归为3类：一是汽车车体产生横摆运动，转向行驶以及汽车发生跑偏与侧滑等运动；二是行驶路面不平；三是汽车各车轮滚动半径不同。传统汽车靠差速器解决该问题，电动轮驱动的汽车由于各车轮运动状态相互独立，因此文章通过差速控制策略及仿真来解决电动轮驱动汽车的差速问题。

1 电动轮驱动汽车的差速问题

传统汽车各车轮轮心通过悬架与车体相连，车轮轮心速度的水平分量与车体的水平速度分量相等；车轮在爬坡行驶时，由于悬架的上下运动，轮心产生垂向速度，这2个速度分量的合成即为实际轮心速度。汽车在不平路面及转向行驶时，各轮轮心速度是不相等的，传统汽车靠差速器来实现各轮转速与相应轮心速度的协调，车轮运动满足式（1）和式（2）[1]。

式中：ui——第i个车轮轮心处的速度，m/s；

ωi——第i个车轮的旋转角速度，rad/s；

ri——第i个车轮的滚动半径，m/rad；

t——时间，s；

Si——车轮轮心沿平行于行驶路面的轨迹移动的距离，m。

对于电动轮驱动的电动汽车，各车轮之间没有机械连接，运动状态相互独立，各车轮在汽车转向或在不平路面上行驶时，车轮运动不满足式（1）和式（2），会导致车轮拖滑或滑转，汽车不能正常行驶。

2 电动轮驱动汽车自适应差速技术的仿真

文章采用汽车在各种运动状态下驱动电机的转矩作为指令信号，进行整车控制系统策略仿真，以实现各车轮的自适应差速。采用车轮完整动力学模型进行仿真验证，车速控制模块根据实际车速与目标车速之差产生的总驱动转矩，按一定比例分配给汽车各驱动电机，验证各车轮运动学是否满足式（1）和式（2）[2]。

2.1 仿真车型参数

仿真时所采用的整车主要参数，如表1所示。仿真车型所采用的轮胎特性曲线，如图1所示，图1a示出侧偏角为0时，轮胎纵向力与滑转率的关系曲线，图1b示出滑转率为0时，轮胎侧向力与侧偏角的关系。

表1 仿真车型的主要参数

图1 仿真时所采用的轮胎特性

2.2 汽车横摆工况仿真

汽车转向行驶产生车体的横摆，可代表各种出现车体横摆工况下的差速问题。在此分为转向角阶跃输入和正弦输入2种典型工况，对其差速性能进行验证，仿真时各车轮转矩分配比例相等。

2.2.1 转向角阶跃输入工况

汽车先加速到50 km/h匀速行驶后，在第11 s输入阶跃转向角δ=0.2 rad。汽车输入阶跃转向角后的侧向速度与横摆角速度变化，如图2所示。车体侧倾角变化，如图3所示。

图2 转向角阶跃输入工况汽车横摆角速度变化曲线

图3 转向角阶跃输入工况汽车车体侧倾角变化曲线

车轮旋转切向速度和车轮轮心速度，如图4和图5所示，输入转向角后，由于汽车产生横摆运动，各轮轮心速度不同，各轮旋转线速度及转速也不同。各车轮滑转率的变化，如图6所示，由图6可知，各车轮均没有发生滑转，也就是说各车轮转速与轮心速度实现了自适应协调。

图4 转向角阶跃输入工况车轮旋转切向速度

图5 转向角阶跃输入工况各车轮轮心速度

图6 转向角阶跃输入工况车轮滑转率变化

2.2.2 正弦输入工况

仿真时，汽车加速到50 km/h匀速行驶后，在第12.5 s输入转向角信号。仿真过程中汽车横摆角速度的变化，如图7所示，横摆角速度响应与转向角输入保持很好的线性关系。

图7 正弦输入工况汽车横摆角速度变化

汽车各轮轮心速度与转速呈正弦变化，车轮滑转率，如图8所示，各车轮均没有滑转，表明车轮转速与轮心速度是协调的。说明在此行驶工况下，按转矩指令控制驱动电机可实现自适应差速[3]。

图8 正弦输入工况各车轮滑转率变化

2.3 路面不平工况仿真

2.3.1 单轮行驶于正弦路面

仿真时，汽车先加速到50km/h匀速行驶，在第11s，在左前轮输入一个正弦变化的路面不平度信号，其他车轮仍行驶于水平路面，各车轮转矩分配比例相等。车轮滑转率变化曲线，如图9所示，各车轮均没有出现滑转。各车轮轮心速度与车轮旋转切向速度的变化，如图10和图11所示。从图10和图11可见，车轮转速可自动适应路面不平的变化，各轮转速随轮荷转移及路面不平引起的车速变化而变化。