分布式驱动电动汽车电子差速仿真研究

王栋梁，茹强，赵轩

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

分布式驱动电动汽车电子差速仿真研究

王栋梁，茹强，赵轩

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

文章针对前轮独立驱动电动汽车转向电子差速控制策略进行研究，建立了分布式驱动电动汽车低速转向时，驱动轮转速满足阿克曼转向原理为目标的电子差速策略。基于Matlab/Simulink和Carsim建立了分布式驱动电动汽车联合仿真实验平台。仿真分析验证了低速转向电子差速控制策略的有效性。

分布式驱动；电子差速；电动汽车；Carsim

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-23-03

引言

基于电动汽车动力源结构形式的不同，电动汽车可以分为单一动力源集中式驱动以及多动力源分布式驱动[2]。分布式驱动电动汽车的驱动轮转矩和转速均可独立控制，使得相比集中式驱动电动汽车，分布式驱动电动汽车的驱动系统效率更优，更加利于整车布置，动力学响应的速度更快。然而，分布式驱动电动汽车处于转向以及不平路面行驶工况时，机械差速器能够实现两侧驱动车轮不发生过度滑移或者滑转，由于分布式驱动电动汽车没有机械差速器，因此需要通过电子差速策略实现两侧驱动电机之间协调工作[4]。本文针对分布式驱动电动汽车，制定了低速转向时驱动轮转速满足阿克曼转向原理为目标的电子差速控制策略，并基于Matlab/ Carsim的联合仿真实验平台，验证了低速转向电子差速控制策略的有效性。

1、分布式驱动电动汽车结构

分布式驱动电动汽车的概念是与集中式相对而言的，是按照动力系统布局形式将电动汽车归为这两大类的。集中式电动汽车采用单电机集中驱动形式，即汽车传统的通用的结构，将动力由电机、离合器、变速箱、传动轴、差速器、半轴传递给驱动轮，这与传统内燃机汽车的动力系统区别不大。而分布式驱动电动汽车采用多个电机（两个或两个以上）分布在车轮旁边或内部，每个电机通过各自的减速器及传动半轴或直接将动力传递给不同驱动轮。多电机分布式布局使得电动汽车的驱动系统模式产生了根本变化，形成电动汽车独特的驱动系统。根据分布式驱动电动汽车驱动电机安装位置不同可以分为轮边驱动式以及轮毂驱动式；根据驱动轮数目不同又可以分为两轮驱动以及四轮驱动。本文研究前轮轮毂电机驱动汽车结构示意图如图1所示。

2、低速转向差速分析与控制策略

2.1 低速转向差速分析

图2为车辆低速转向时，忽略车轮侧偏、轮荷和轴荷转移以及车轮滑移等因素之后，根据阿克曼转向原理各车轮瞬态转速关系可以表示为：

式（1）中，VP为前轴中点P处速度，Vfl为左前轮固结于车轮中心处速度；Vfr为右前轮固结于车轮中心处速度；Vrl为左后轮固结于车轮中心处速度；Vrr为右后轮固结于车轮中心处速度；wfl为左前轮转速；wfr为右前轮转速；wrl为左后轮转速；wrr为右后轮转速；Rfl为左前轮瞬态转向半径；Rfr为右前轮瞬态转向半径；Rrl为左后轮瞬态转向半径；Rrr为右后轮瞬态转向半径；RP为前轴中点P处瞬态转向半径。

根据转向几何学关系，可知各车轮以及前轴中点P处的瞬态转向半径为：

式（2）中，L为车辆轴距；L1为车辆质心至前轴距离；L2为车辆质心至后轴距离；W为车辆轮距；θ为车辆前轴中点P处转向角；θin为车辆左前轮转向角；θout为车辆右前轮转向角。

2.2 低速电子差速控制策略

以双电机前轮驱动汽车为例，本文提出转向时电子差速控制策略如图3所示，其中左、右驱动轮需求转速根据图2转向阿克曼原理几何关系以及式（1）、式（2）计算获得，当前文献的控制算法主要有PI和神经网络PID控制算法。

图2 车辆低速转向示意图

图3 低速电子差速控制策略

3、Matlab/Carsim联合仿真平台

3.1 仿真平台结构

Carsim是一款面向特性的参数化建模汽车动力学仿真软件，建立于美国密西根大学运输研究中心30多年的理论和实践经验之上。该软件能够较为真实反应车辆在不同驾驶员输入以及车辆行驶环境输入下的动态响应过程，同时它还可以实现与其他仿真软件（如Cruise，Matlab）之间的联合仿真。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以针对动态系统的特点进行不同的仿真、分析，并通过调整系统参数以提高系统的性能，进而达到最佳的仿真结果，提高系统的开发效率。本文结合Matlab/Simulink控制策略建模的优势以及Carsim车辆模型建模优势，建立了如图4所示的分布式驱动电动汽车联合仿真平台。

Carsim车辆模型是将车辆抽象简化为10个部分：1个车体部分、4个簧下质量部分、4个旋转车轮部分和一个发动机曲轴部分。简化后的模型包括27个自由度：3个簧载质量的移动自由度（X，Y，Z）、4个非簧载质量自由度、4个车轮旋转自由度、1个传动系旋转自由度、8个轮胎瞬态特性自由度和4个制动压力自由度。具体可以包括车体、空气动力学、传动总成、制动系、转向系、轮胎和悬架七大子系统。

图4 分布式驱动汽车联合仿真平台结构

3.2 输入与输出参数配置

实现Carsim/Simulink联合仿真之前，需要对Carsim输入与输出模块接口进行正确的配置。本文的分布式驱动电动汽车的输入与输出模块接口参数配置如表1所示。

表1 Carsim输入与输出模块接口参数配置

4、仿真分析

图5 驱动轮滑移率

图6 驱动轮纵向速度

图5为车辆匀速30km/h，阶跃工况下的驱动轮滑移率变化曲线，从图中可以看出阶跃工况下，驱动轮滑移率没有出现过度滑移与滑转，均处于稳定区域。从图6可见，转向行驶时，根据阿克曼转向基本原理，左右侧驱动轮目标控制转速不同，同时可见，当由于转向行驶，使得驱动轮左右侧驱动轮载荷不同，所对应的驱动轮滑移率不一致。

5、结论

针对分布式驱动电动汽车低速转向行驶时，制定了以驱动轮转速为控制目标的电子差速控制策略，结合Carsim和Matlab的仿真建模优势，建立了分布式驱动电动汽车联合仿真平台，基于阶跃工况仿真分析，验证了低速转向电子差速控制策略的有效性。

[1] 熊璐,陈晨,冯源.基于Carsim/Simulink联合仿真的分布式驱动电动汽车建模[J].系统仿真学报,2014,26(5):1143-1148+1155.

[2] 严运兵,彭思仑.后驱电动轮汽车电子差速控制影响因素分析[J].汽车工程.2014,36(2):210-215.

[3] 陈东,徐寅,梁华军.双电机后轮驱动混合动力汽车电子差速控制的研究[J].汽车工程.2013,35(1):46-50.

[4] Haddoun A, Benbouzid MEH, Diallo D, et al. Design and implementation of an electric differential for traction application[C]. 2010 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. Lille, France: IEEE Computer Society,2010:1-6.

Electronic Differential Simulation Research on Distributed Driving Electric Vehicle

Wang Dongliang, Ru Qiang, Zhao Xuan
( University of changan automobile institute, Shaanxi Xi'an 710064 )

A In this paper, the steering differential control strategy of the electric vehicle with front wheels driven independently was studied and when the distributed driving electric vehicle was at a low steering speed, an electronic differential strategy was established, the goal of which was that the speed of driving wheels meet Ackerman principle. Based on Matlab/Simulink and Carsim, a distributed driving electric vehicle simulation test platform was established. Simulation results showed the effectiveness of the electronic differential control strategy with a low steering speed.

electric vehicle; distributed driving; electronic differential; Carsim

U469.7

A

A1671-7988(2017)01-23-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.010

王栋梁（1989-），男，研究生，就读于长安大学汽车学院，研究方向为新能源汽车。