轮毂电机驱动型电动汽车动力系统研究

本文首先分析轮毂电机驱动型电动汽车行驶时的受力情况，并以某型号两后轮独立轮毂电机驱动型电动汽车为样车选取轮毂电机和蓄电池，最后采用ADVISOR建立轮毂电机驱动型电动汽车动力系统模型，对其进行仿真分析。

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两后轮独立驱动的轮毂电机驱动型电动汽车动力学分析

为了简化轮毂电机驱动型电动汽车的动力学分析及控制策略，目前研究人员均将四轮电动汽车简化为两轮汽车模型进行研究。针对目前广泛采用的两轮模型的横向和横摆运动方程，本文进行了修订，修改后的方程为

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轮毂电机及电池的选择

轮毂电机的选择首先应确定电机的类型，本文采用永磁无刷直流电机。首先根据表1中最高车速、最大爬坡度以及加速度，计算确定出待选电机的功率。根据负载情况，计算出待选电机应满足的扭矩要求。

(1) 轮毂电机功率

电动汽车匀速行驶时轮毂电机输出功率为：

由于本文采用外转子式轮毂电机，因此传动效率η取1，滚动阻力系数f取0. 015，空气阻力系数取0. 25，根据车辆宽度和高度，其迎风面积为1. 2 m2。

电动汽车以最高速度行驶在平坦路面上时 u 为60 km / h，α 取为 0。

根据式 (11) 计算，此时轮毂电机输出功率为6kW，因此电动汽车所需轮毂电机的最大功率应大于6kW。由于设计中采用的是双轮后驱结构，因此单个轮毂电机的功率应大于3kW。

(2) 轮毂电机扭矩

轮毂电机的扭矩应能满足驱动力的要求。在汽车启动时，驱动力应大于滚动阻力、空气阻力以及坡道阻力之和。当汽车加速行驶时，驱动力应大于等于滚动阻力、空气阻力、坡道阻力以及加速阻力之和。

而电机提供的输出驱动力应大于驱动力，但同时应能满足车辆驱动的附着条件。在计算中通常驱动轮所承载的重力乘以一个附着系数φ得到输出驱动力的允许最大值，φ与轮胎、路面条件有关，通常取为0. 8。

计算时，α应取最大爬坡角度，驱动轮半径为0. 29 m。则 单 个 轮 毂 电 机 的最大扭矩应大于177. 18 N·m，小于 293. 32 N·m。取过载系数为3，则额定扭矩应大于59. 06 N·m，小于97. 77 N·m。

综上所述，在满足功率及转速要求的基础上，根据电机规格，选择2个额定功率为3. 7kW、额定转速为600r/min、额定扭矩为90N·m 的轮毂电机作为整车的驱动部件。轮毂电机的驱动电压为72V。

(3) 电池的选择

选择电池的类型为铅酸蓄电池，该种电池技术较为成熟，维护简单，具有较高性价比。在选取电池组电压时，根据轮毂电机的驱动电压进行匹配，并且应保证电池组能够满足轮毂电机的电压变化要求。电池组的电压选为72V，采用6块单块电压为12V电池串联而成。

在选择电池容量时，应考虑能满足行驶里程参数要求以及在行驶过程中其他车载电器消耗的电能。电池组能量W应满足：

式中P1———车载电器使用功率；S———行驶里程

根据计算，选择单个电池的容量为120 A·h。

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动力系统建模与仿真

ADVISOR是1994年在Matlab和Simulink软件环境下开发的车辆仿真软件。经ADVISOR分析的结果已被大量的实践证明拥有良好的可靠性与实用性。现在世界范围内有许多汽车企业、研究机构以及高校都在使用ADVISOR进行汽车特别是电动汽车的仿真研究。

3.1 定义车辆

(1) 整车定义

根据表1整车参数以EV1车型为基础，对VEH_EV1. m 文件进行编辑修改。整车滑行质量( 整车除去电动机、电池、传动系的质量) 取550kg。空气阻力系数取0. 19。迎风面积取1. 2m2。前轴载荷占整车质量的百分比取0. 4。轴距取1. 86m。整车质心高度取0. 35m。整车最大质量( 含乘客以及货物) 取1080kg。

(2) 电池定义

能量存储模块系统根据功率总线的功率需求，通过电池组电压/内阻模块、功率限制模块和电流值计算模块3个子模块，计算出功率总线实际得到的功率，并通过SOC算法子模块计算得到SOC值变化曲线。

根据选择电池的具体参数，对ESS_Pb12. m文件进行编辑修改。ess_max_ah_cap电池容量随SOC值以及温度的变化取［100 110 120 ］。ess_module_num 为电池组包含电池个数，取6。ess_module_mass为单体电池的质量，取25kg。

(3) 电机定义

在该模块中，程序根据转子所需转矩和转速，通过电机转速预估程序在参考电机输出功率Map图的基础上计算得到电机所需的输入功率。再根据电机输入功率求出转子可得到的驱动转矩和转速。ADVISOR中没有轮毂电机驱动型电动汽车的模型，故对现有的电动汽车模型进行修改。

根据电机的外转子结构对传动部件参数进行调整，将电机参数相应设置为单个轮毂电机的两倍。根据选择电机的参数，以MC_PM16. m文件为基础进行修改。定义电机的转矩范围，mc_map_trq =［ － 180 － 150 －120 － 90 － 60 － 30 0 30 60 90 120 150 180 ］; 电机转速范围，mc_map_spd = ［0 100 200 300 400 500 600 750 ］; 电机最大电流，mc_max_crrnt = 140 A；电机最低工作电压，mc_min_volts = 70 V; 电机质量，mc_mass = 18 kg。

(4) 定义变速器

轮毂电机驱动型电动汽车不存在机械式的减速器和变速器，所以在定时变速器时可以将该部件的质量定义为0，传动总效率定义为电机和车轮连接的传动效率。

(5) 定义车轮

该模块存在两路运算路线，一路是根据下级模块的需求计算得到上级模块的需求，模型从车轮所需的驱动力和转速通过牵引力控制接口和轮胎滑移率模块计算传动系应提供的转矩和转速;另一路由上级模块发出的功率计算到下级模块，得到实际的功率，根据传动系提供的转矩和转速通过前 /后制动控制接口和轮胎滑移率等模块计算出车轮获得的扭矩和转速。定义车轮滚动半径，wh_radius=0. 29m; 定义轮胎转动惯量，wh_inertia=40×wh_radius^2 /2; 定义轮胎的滚动阻力系数，wh_1st_rrc=0. 009 38。

3.2 循环工况的选择

本次仿真采用3种城市典型路况主流循环工况的联合仿真，其速度时间曲线如图1所示。

在3种工况的联合工况下循环周期为3256s，行驶里程为27. 09 km，平均速度为29. 94 km/h，平均加速度为0. 53 m/s2，其间停车37次。

选择Acceleration Test，通过Accel Options 设置加速度区间，测试车辆的加速性能。本次仿真中选择3个加速性能测试区间，分别为0～60、30～60、0～40km/h。

选择Gradeability Test，通过Grade Options设置车速，测试车辆在某一速度下的最大爬坡角度。本次仿真测试车辆在40 km/h恒速下的最大爬坡角度。

以CYC_CONST_65为基础进行修改，将其M文件中的VEL值改为40，并将循环次数设为40次，以测试车辆在40km/h 恒速下的续航里程。选择CYC_ECE_EUDC工况，循环次数设置为10次，测试车辆在典型城市路况下的续航里程。

3.3 仿真结果

建立车辆模型，设置好循环路况之后，进行计算仿真。3种典型城市路况下车辆的动力学仿真结果及车辆加速、爬坡数据如图2所示。得出本车动力性能能够很好地适应城市路况。

车辆从静止到额定最大车速的加速时间为10. 1s，车辆在40km/h的恒速下的最大爬坡角度为29. 5°，均能满足设计要求。

在CYC_ECE_EUDC工况下进行连续10次的仿真，得到车辆速度及里程随时间曲线如图3所示，在此工况下汽车的最大巡航里程为90. 8km，满足设计要求。

综上所述，经过仿真分析说明，经计算选定的整车部件能够达到设计要求，整车动力学分析计算过程是正确合理的。

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实验验证

利用作者自行设计的轮毂电机两后轮独立驱动的电动车骨架样车进行了实验，所用的电动汽车骨架样车如图4所示。实验结果如表2所示。

以上结果优于设计参数和仿真结果，主要是由于采用的骨架样车没有车身，空气阻力小。但实际运行结果接近于仿真结果，验证了仿真的合理性。

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结论

(1) 针对两后轮独立驱动的轮毂电机驱动型电动汽车进行了整车动力学分析，建立了电动汽车行驶时的动力学方程。
(2) 通过对电动汽车的动力学分析，对电动汽车各动力部件进行了选择与匹配。
(3) 在ADVISOＲ下根据理论分析计算建立了整车动力学模型并进行了仿真。仿真结果表明，整车动力系统的设计能够满足参数要求，证明了整车动力学分析的正确性。

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