分布式电动汽车操纵稳定性仿真分析

（上海工程技术大学，上海 201620）

0 引言

汽车的操纵稳定性主要包括稳定性和操纵性，两者互相影响。另外稳定性主要是由横向稳定性和纵向稳定性组成的[1]。汽车的操纵稳定主要是由地面和轮胎间的力决定，包括侧向力、纵向力以及垂直载荷[2]。当轮胎与路面间的侧向力达到附着极限会引起轮胎的侧滑，当轮胎与路面间的纵向力达到附着系数时将引起轮胎打滑现象。采用轮毂电机驱动式电动汽车，其主要有以下结构特点：1）簧下质量增加，簧下质量的增加将会间接的引起路面不平下车轮振动幅度加大，使得轮胎的接地性变差；2）转向系转动惯量增加，使得方向盘的输入响应变差，回正性能变差；3）整车质量的分布变化，使得影响前后悬架偏频和振动特性、转向特性变化和横摆响应变化；4）轮毂电机力矩波动及控制精度，使得方矩波动引起车辆振动和左右车轮力矩误差引起附加横摆运动。另外轮毂电机式驱动电动汽车的结构使得主销偏距增加从而使得电动汽车的稳定性变差[3]。轮毂电机式电动汽车与传统汽车相比少了减震器、差速器和传动轴等机械零件，直接通过控制轮毂电机控制电动汽车的行驶状态。且该结构使得电动汽车更加的微型化和轻量化[4]。本文利用carsim软件，将传统汽车的发动机驱动修改为轮毂电机驱动模型。

1 Carsim软件简介

Carsim软件通过对其系统的参数设置，可以有效的模拟各种现实工况。仿真实验所需的仿真工况可以根据作者的需要进行自定义设置。Carsim主要是针对汽车的动力学系统进行仿真分析，如汽车的平顺性、操纵稳定性、制动性等。该软件主要有仿真精度高、仿真高效快捷且具有较好的扩展性[5]。Carsim主界面如图1所示。

图1 carsim控制界面示意图

2 轮毂电机式电动汽车模型建模

2.1 轮毂电机模型

电动汽车采用无刷直流电机，作为动力源。根据无刷直流电机建模理论方法，建立轮毂电机模型。轮毂电机的转子采用内转子机构，定子绕组为集中整距绕组，霍尔元件对称布置且每个霍尔元件相隔120°。为了获得理想电机模型。需要对电机做简化：1）不计电枢反应，气隙磁场分布为平顶宽度120°的梯形波；2）不计涡流损耗和磁滞损耗；3）忽略电机铁芯饱和；4）驱动系统逆变电路的功率管和续流二级管均具有理想的开关特性[6]。轮毂电机电压方程如下所示。

公式中：M为相绕组互感；L为相绕组自感；eC-C相反电势；eB-B相反电势；eA-A相反电势；iC-C相电流；iB-B相电流；iA-A相电流；uC-C相绕组电压uB-B相绕组电压；uA-A相绕组电压；Te为电磁转矩；Ω为电机机械加速度；Te为电磁转矩；J为转子转动惯量；Bv为黏滞摩擦系数。

图2 电机模型图

图中：T_obj为为目标力矩；K_t为力矩驱动系数；Rotation-speed-为车轮转速；Torque-为输出力矩。

2.2 轮胎模型

轮胎是电动汽车的重要部件。轮胎的主要作用有如下四点：

支撑整车的重量；

与悬架元件共同作用，衰减由路面不平引起的振动和冲击；

传递纵向力，以实现驱动和制动；

传递侧向力，以使车辆转向并保证行驶稳定性。

车轮在路面行驶产生车轮滚动阻力，滚动轮胎产生的阻力主要有滚动阻力分量、道路阻力分量和轮胎侧偏阻力分量[7]。该轮胎模型是采用魔术公式建立的，在轮胎参数修改界面上输入有效的滚动半径、自由半径和轮胎的最大载荷等参数确定仿真轮胎[8]。

图3 轮胎参数修改界面

2.3 悬架模型建立

悬架系统模型主要包括悬架C特性和悬架K特性。悬架C特性主要对弹簧的阻尼、限位块的刚度、减震器和轮跳的关系等参数设置。悬架K特性主要对非簧载质量、转动惯量、前轮外倾角、前轮前束角以及弹簧的刚度等参数设置[9,10]如图3、图4所示。

图4 悬架C特性显示界面

图5 悬架K特性显示界面

2.4 整车模型建立

Carsim是针对特性参数的车辆动力学仿真软件。建立整车模型主要是对动力系统，悬架系统、转系系统、轮胎、车体、制动系统参数化设置。仿真车辆如图6所示。通过Carsim与Simulink联合仿真可以有效的提高仿真的速度[11,12]。如图7所示为轮毂电机电动汽车整车模型。

图6 仿真车辆

表1 整车部分参数表

图7 轮毂电机电动汽车整车模型

3 仿真分析

根据标准的双移线实验工况进行仿真实验，设定速度为80km/h，路面附着系数为0.45。将轮毂电机驱动电动汽车和传统汽车进行对比分析。

3.1 非簧载质量对操纵稳定性的影响

图8 横摆角速度对比曲线

由图8可以看出轮毂电机驱动电动汽车的横摆角速度的峰值有所减少，其两条曲线横摆角速度与时间的变化趋势基本是一致的，从而可以看出非簧载质量（即电机质量）对轮毂电机驱动电动汽车的操纵稳定性，影响不大。

图9 侧向加速度对比曲线

由图9可以看出传统汽车和轮毂电机电动汽车的侧向加速度曲线变化不是非常明显，轮毂电机驱动电动汽车的侧向加速度的峰值有一定的减少。主要是因为轮毂电机驱动电动汽车其非簧载质量较大，从而增加垂直方向上垂向力，间接的增加了其静摩擦力。综上所述，轮毂电机驱动电动汽车对汽车的侧向加速度影响不大。

图10 质心侧偏角对比曲线

由图10可以看出传统汽车和轮毂电机驱动电动汽车的质心侧偏角变化趋势大体不变。轮毂电机驱动电动汽车的质心侧偏角的峰值有所增加，这不利于轮毂电机驱动电动汽车操纵稳定性，容易使汽车发生跑偏。当轮毂电机驱动电动汽车在高速行驶时，有可能导致汽车翻车。

3.2 行驶速度对操纵稳定性的影响

分别根据不同的行驶速度对轮毂电机驱动电动汽车进行仿真实验。以下给出了80km/h、100km/h、120km/h的行驶速度对轮毂电机驱动电动汽车的质心侧偏角、侧向加速度和横摆角速度的影响。

由图11看出随着速度的不断增大，轮毂电机驱动电动汽车的横摆加速度的峰值有所增大。从而可以看出行驶速度使得轮毂电机驱动电动汽车的横摆角度增加。

图11 横摆角速度与行驶速度曲线

图12 侧向加速度与行驶速度曲线

由图12看出随着速度的不断增大，轮毂电机驱动电动汽车的侧向加速度的有一定的增加，增加的变化范围不是非常大，对轮毂电机驱动电动汽车的操纵稳定性影响不是很大。

图13 质心侧偏角与行驶速度曲线

由图13可以看出轮毂电机驱动电动汽车的行驶速度对其质心侧偏角影响不大。

3.3 路面附着系数对操纵稳定性的影响

分别根据不同的路面附着系数对轮毂电机驱动电动汽车进行仿真实验。以下给出了附着系数u=0.45、0.65、0.85三个附着系数对轮毂电机驱动电动汽车的质心侧偏角、侧向加速度和横摆角速度的影响。

图14 横摆角速度与附着系数曲线

图15 侧向加速度与附着系数曲线

图16 质心侧偏角与附着系数曲线

由图14～图16可以看出路面附着系数越大，轮毂电机驱动电动汽车的横摆角速度、侧向加速度和质心侧偏角的峰值有所减少，但减少不大，所以对轮毂电机驱动电动汽车的操纵稳定性，影响不大。

4 结论

1）搭建的轮毂电机驱动电动汽车模型可以为以后的优化控制算法提供理论基础。

2）轮毂电机驱动电动汽车的操纵稳定性受路面附着系数、行驶速度和非簧载质量等参数影响。其中非簧载质量会破坏轮毂电机驱动电动汽车的操纵稳定性。

3）搭建的轮毂电机模型具有较好的响应特性。