輪轂電動汽車的動力性能研究

1、目錄中文摘要 2英文摘要 31 緒論 41.1 研究意義 41.2 國內(nèi)外研究狀況 42 輪轂電動汽車的動力性 62.1 輪轂電動汽車動力性的評價指標(biāo) 62.2 輪轂電動汽車受力分析 62.3 輪轂電動汽車的最高車速 72.4 輪轂電動汽車的加速能力 72.5 輪轂電動汽車的上坡能力 82.6 四輪驅(qū)動的輪轂電動汽車相關(guān)的直線行駛時的控制方式 92.7 本章小結(jié) 103 輪轂電動汽車的制動性 103.1 制動性的評價指標(biāo) 103.2 制動時車輪的受力 113.3 輪轂電動汽車的回饋制動的概述 123.4 輪轂電動汽車回饋制動技術(shù)的研究內(nèi)容 133.5 回饋制動系統(tǒng)各個制動力變化特性 143.6

2、 回饋制動的控制邏輯與操作方式 154 輪轂電動汽車的操縱穩(wěn)定性 184.1 汽車操縱穩(wěn)定性的概述 184.2汽車轉(zhuǎn)向時的受力分析 184.3 汽車在前輪角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的類型 204.4 四輪獨(dú)立驅(qū)動的輪轂電動汽車轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)矩控制 214.5 本章小結(jié) 255 輪轂電動汽車的行駛平順性 265.1 輪轂電動汽車行駛平順性的概述 265.2 輪轂電動汽車的垂直振動特性研究 275.3 本章小結(jié) 296 結(jié)論與展望 29謝辭 31參考文獻(xiàn) 32輪轂電動汽車的動力性能研究摘 要 ： 輪轂電動汽車是一種新型的電動汽車，利用四個獨(dú)立控制的輪轂電機(jī)驅(qū) 動四個車輪，為提高汽車的動力性、穩(wěn)定性、安全性

3、提供了更大的技術(shù) 潛力。本文主要結(jié)合輪轂電動機(jī)的特性，對輪轂電動汽車的動力性、制 動性、操縱穩(wěn)定性和行駛平順性進(jìn)行分析和研究，其中以汽車操縱穩(wěn)定 性中通過控制輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩來控制汽車轉(zhuǎn)向運(yùn)動的研究為重點(diǎn)。并類比 傳統(tǒng)的集中驅(qū)動汽車與輪轂電動汽車，結(jié)合輪轂電動機(jī)的特性，探究汽 車的動力性能，針對輪轂電動汽車的特點(diǎn)，研究輪轂電動汽車通過控制 輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩來控制汽車轉(zhuǎn)向運(yùn)動的可能性，并簡要分析輪轂電動汽車 與傳統(tǒng)集中驅(qū)動汽車相比的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞 ： 電動汽車，輪轂電機(jī)，動力性，制動性，操縱穩(wěn)定性，行駛平順性。9Abstract：Keywords:Dynamic Analysis of Vehicles

4、Driven by hubmotorsVehicle driven by hub motors is a new kind of electric vehicle. Its four wheels which are controlled independently are drivenby “in wheel”engines. This offers greater potential in order to improve the vehicle's dynamic, stability and security character. The paper mainly resear

5、ches electric vehicle's dynamic, braking, handling stability, and ride comfort according to the character of the hub motor, which focus mainly on handling stability. It also compare vehicle driven by hub motors with in order to analyzing the possibility of controlling the torque to control the s

6、teering of the vehicle. At last, it analyses the advantages of vehicle driven by hub motor compare to traditional concentrated driven vehicle.Electric vehicle, Hub motor, Dynamic character, Braking character, Handling stability, Ride comfort1 緒論1.1 研究意義隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，私家車將大幅度增加，若只靠燃油汽車滿足這一增長要求， 是有的供給能力將日漸萎縮

7、，直至完全失去?？紤]到石油危機(jī)，對世界的發(fā)展是很 嚴(yán)峻的考驗(yàn)。隨著電動汽車的興起，輪轂電機(jī)重新引起了人們的重視。目前國內(nèi)已 有多家企業(yè)高校和科研單位已經(jīng)開始研究，但由于電池，電機(jī)性能和價格間的矛盾， 控制策略的不完善，輪轂電動汽車的產(chǎn)業(yè)化還未成形。但從目前發(fā)展趨勢以及各種 驅(qū)動技術(shù)的特點(diǎn)來看，輪轂電動汽車將是電動汽車的最終驅(qū)動形式，也是現(xiàn)階段電 動汽車研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)能夠靈活的布置于各類電動汽車的前后輪，直接驅(qū)動輪轂旋 轉(zhuǎn)，與內(nèi)燃機(jī)、單電機(jī)等傳統(tǒng)集中驅(qū)動方式相比，其動力配置、傳動結(jié)構(gòu)、操控性 能、能源利用等方面的技術(shù)優(yōu)勢和特點(diǎn)極為明顯，主要表現(xiàn)為 1：（1）動力控制由硬連

8、接改為軟連接，能通過電子控制器，實(shí)現(xiàn)個輪轂從零到最 大速度之間的無級變速和輪轂間的差速要求。省去了傳統(tǒng)的機(jī)械換擋、離合器、變 速器、傳動軸和機(jī)械差速器等裝置，使的驅(qū)動系統(tǒng)和整車結(jié)構(gòu)簡約歸一，可利用空 間增大，傳動效率提高（理論值為 10%）。（2）整車布局和車身造型設(shè)計的自由度大大增加。以汽車為例，將底架的承載 功能與傳動功能分離后，橋架結(jié)構(gòu)大為簡化，更容易實(shí)現(xiàn)相同底盤不同車身造型的 產(chǎn)品多樣化和系列化，縮短新車開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。（3）各輪轂扭矩獨(dú)立可控，響應(yīng)快捷，正反轉(zhuǎn)靈活，瞬時動力性能更為優(yōu)越， 顯著提高了適應(yīng)惡劣路面條件的行駛能力。（4）容易實(shí)現(xiàn)輪轂的電氣制動、機(jī)電復(fù)合制動和制動過

9、程中的能量回饋，還能 對整車能源的高效利用實(shí)施最優(yōu)化控制與管理，有效節(jié)約能源。 11.2 國內(nèi)外研究狀況電動汽車最早于 1834 年問世，但因一次充電續(xù)駛里程不能滿足要求而于 20 世 紀(jì) 30 年代退出歷史舞臺。 20 世紀(jì) 70 年代，由于環(huán)境惡化和能源危機(jī)的出現(xiàn)，人們 重新展開了對電動汽車的研究開發(fā) 7。作為比較先進(jìn)的驅(qū)動技術(shù)，國外有很多研究所和公司都對輪轂電機(jī)進(jìn)行了專項 研究，并已經(jīng)開始將其應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中。位于美國加州的通用汽車高級技術(shù)研發(fā)中心成功地將自行研制的輪轂電機(jī)應(yīng)用到雪弗蘭s-10皮卡車中。該電機(jī)給車輪增加的重量只有約15kg，卻可產(chǎn)生約25kW的功率，產(chǎn)生的扭矩比普通的雪弗

10、蘭 s-10四缸皮卡車高出60%，加速性能也有所提日本對輪轂電機(jī)研究起步早，技術(shù)在世界上處于領(lǐng)先。日本慶應(yīng)義塾大學(xué)清水 浩教授領(lǐng)導(dǎo)的電動汽車研究小組在過去 10年中，研制的 IZA 、ECO、KAZ 等電動汽 車均采用輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)。其中后輪驅(qū)動電動汽車ECO采用的永磁無刷直流電機(jī)， 額定功率6.8 kW，峰值功率可達(dá)20kW。日本的各大公司在2003年東京汽車展上紛 紛推出自己的輪轂驅(qū)動產(chǎn)品，如：普利司通公司的動力阻尼型車輪內(nèi)裝式電機(jī)系統(tǒng)、 豐田公司的燃料電池概念車 F INE-N 等等。我國的輪轂電機(jī)技術(shù)雖然起步較晚，但近幾年隨著國家“ 863”計劃電動汽車重 大課題研究的深入，各高校對

11、該技術(shù)的研究也有所加強(qiáng)。同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院在 2002 年和 2003年獨(dú)立研制的“春暉一號”和“春暉二號”就采用 4 個低速永磁無刷直流 輪轂電機(jī)直接驅(qū)動系統(tǒng)。中國科學(xué)院北京三環(huán)通用電氣公司開發(fā)出了電動汽車專用 的715 kW輪轂電機(jī)。哈工大-愛英斯電動汽車研究所開發(fā)的 EV96-I型電動汽車采用 了多態(tài)輪轂電機(jī)的輪轂驅(qū)動系統(tǒng)。 該輪轂電機(jī)采用雙邊混合式磁路結(jié)構(gòu) , 兼有同步電 動機(jī)和異步電動機(jī)的雙重特性。驅(qū)動輪額定功率 6.8kW, 最大功率 15kW, 最大轉(zhuǎn)矩 25N m。1.3 本文主要內(nèi)容（1）輪轂電動汽車動力性的分析，包括最高車速，加速時間，爬坡能力等，討 論對輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)矩要求。

12、（2）輪轂電動汽車制動性的分析，主要包括對制動時輪胎受力分析，討論制動 時回饋電能的可能性。（3）輪轂電動汽車操縱穩(wěn)定性的分析，主要包括輪轂電動汽車轉(zhuǎn)向性能，以及通過控制轉(zhuǎn)矩來控制輪轂電動汽車轉(zhuǎn)向的研究。(4) 輪轂電動汽車行駛平順性的研究，主要包括輪轂電機(jī)吸收行駛時承受的各 種沖擊振動的能力。2輪轂電動汽車的動力性2.1輪轂電動汽車動力性的評價指標(biāo)汽車平均行駛速度是評價汽車動力性的總指標(biāo)，從這一點(diǎn)出發(fā)，汽車的動力性 主要有汽車的最高車速I而TV汽車的加速時間t、汽車的最大爬坡度三方面的指 標(biāo)來評定2。2.2輪轂電動汽車受力分析將驅(qū)動力與各種行駛阻力表示為汽車的行駛方程式：肛 H+h+E+Pj

13、其中，二為汽車的驅(qū)動力。二為滾動阻力，為空氣阻力，為坡度阻力，,為加速 阻力。:由于輪轂電機(jī)有轉(zhuǎn)矩較低的缺點(diǎn)，因此輪轂電動汽車一般采用四輪驅(qū)動， 設(shè) 電機(jī)轉(zhuǎn)矩為)(，則表達(dá)式為y表達(dá)式為Ff 二 fGcosaf為汽車滾動阻力系數(shù)，G為整車重力。丄耕：表達(dá)式為21.5:表達(dá)式為Fj=Gsin«:表達(dá)式為duFi = 8m1 dt汽車行駛方程式說明了汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)與使用參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，概括了汽車直 線行駛時，驅(qū)動力與行駛阻力之間的數(shù)量關(guān)系，是研究汽車動力性的基本依據(jù)。2.3輪轂電動汽車的最高車速輪轂電機(jī)一般采用直流無刷電動機(jī)或永磁同步電動機(jī)，采用調(diào)頻方式調(diào)速，因此轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性圖如圖2.1

14、所示，轉(zhuǎn)速較低時采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在達(dá)到額定功率點(diǎn)之 后，采用恒功率調(diào)速。若輪轂電動汽車采用四輪驅(qū)動，則汽車的驅(qū)動力和形勢阻力 平衡圖如圖22所示，顯然，二與聞代曲線的交點(diǎn)便是 %譏。如下圖。圖2.1圖2.2從圖中可知，當(dāng)車速低于最高車速時，驅(qū)動力大于行駛阻力。這樣汽車就可以 利用剩余的驅(qū)動力加速或爬坡或牽引掛車。當(dāng)汽車需要以低于最高車速的速度等速 行駛，駕駛員可以適當(dāng)松開加速踏板，此時電機(jī)只用部分負(fù)荷特性工作，相應(yīng)的得 到虛線所示驅(qū)動力曲線，它將和行駛阻力達(dá)到新的平衡。2.4輪轂電動汽車的加速能力由于汽車的加速度數(shù)值不易測量，實(shí)際中常用加速時間來表明汽車的加速能力。 譬如用行駛時由最低穩(wěn)定速度

15、加速到一定距離或80%最高速度所需要的時間表明汽車的加速能力。根據(jù)加速度圖可以進(jìn)一步求得由某一車速加速至另一較高的車速所需的時間，由運(yùn)動學(xué)可知:1 dt = - du即加速時間可用圖解積分法，將加速度與車速曲線，即a-u曲線轉(zhuǎn)畫成曲線。如圖2.3,曲線下兩個速度區(qū)間的面積就是通過此速度區(qū)間的加速時間。由于轉(zhuǎn)速較低時 電機(jī)采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，_： -u曲線應(yīng)該是一條直線，之后電機(jī)采用近似恒功率調(diào)速, 轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積應(yīng)該為一個常數(shù)，因此應(yīng)為一條斜線。如圖2.3。圖2.32.5輪轂電動汽車的上坡能力根據(jù)汽車行駛方程式與驅(qū)動力一行駛阻力平衡圖，可以確定汽車的爬坡能力。一般所謂汽車的爬坡能力是指汽車在良好

16、路面上克服 :"-后的余力全部用來克服坡度阻力時能爬上的坡度，所以：du 0 dtFj = Fr(Ff+Fw)式中，二應(yīng)為Gf，但是二的數(shù)值本來就比較小，且COS a近似等于1，故可以認(rèn)為Ff + Fw = Gf+f w21A5由上面的式子得:利用圖2.2即求出輪轂電動汽車爬上的坡道角。可見，在低速行駛時爬坡能力較強(qiáng), 高速行駛時爬坡能力較小。汽車經(jīng)常是以較高速度行駛的，如果此時的爬坡能力過 小，迫使汽車減速，這樣就影響了行駛的平均車速 。2.6四輪驅(qū)動的輪轂電動汽車相關(guān)的直線行駛時的控制方式四輪驅(qū)動的輪轂電動汽車在直線行駛時，其驅(qū)動力分配方式有兩種，等轉(zhuǎn)矩模 式和等狀態(tài)模式。等轉(zhuǎn)矩

17、模式，四個車輪的驅(qū)動力按照等轉(zhuǎn)矩分配，即每個驅(qū)動電機(jī)的電流相同。 可以把四個車輪看成四個獨(dú)立的系統(tǒng)，并且理想化的認(rèn)為四個車輪的軸荷完全一樣, 四個車輪受到的力是完全相同的。對于在平直路面上做直線勻速運(yùn)動的低速車輛， 在車輪狀態(tài)路面狀況一定的情況下，根據(jù)驅(qū)動力一行駛阻力平衡條件，很容易得出 四個車輪所需要的驅(qū)動力是完全一樣的，即如圖 2.4中，四輪X方向的受力相同 這種控制方式不是很嚴(yán)格，忽略了行駛中各個車輪載荷的轉(zhuǎn)移以及路面狀況不盡相 同等因素。B等狀態(tài)模式，等狀態(tài)模式根據(jù)各個車輪軸荷等比例分配驅(qū)動力。由于質(zhì)心位置 不在前后軸連線中心，以及行駛中各個車輪軸荷的變化，等比例分配四輪驅(qū)動力比 較合

18、理。等狀態(tài)模式分為兩種控制方式，一種是按照靜載時前后軸荷分配的比值給 出四輪電機(jī)固定的電流分配比例，另一種是按照動態(tài)的載荷分配比例給出相應(yīng)的控 制電流的分配比例。前者實(shí)質(zhì)為驅(qū)動力的近等狀態(tài)分配，控制方式簡單，后者可以 實(shí)現(xiàn)驅(qū)動力的等狀態(tài)分配，即圖 2.4 中各個輪 X 方向的受力相同，使四個車輪的滑 動率差值達(dá)到最小。 5在起步工況下，等轉(zhuǎn)矩和等狀態(tài)模式下各個電機(jī)起步電流不同，主要由于摩擦 阻力不同，控制器的模式不同。在等轉(zhuǎn)矩和等狀態(tài)兩種模式下，電動汽車都能比較 平穩(wěn)的起步，但是從電機(jī)運(yùn)行狀況下看，等狀態(tài)模式比等轉(zhuǎn)矩模式更好。在勻速工 況，四輪獨(dú)立驅(qū)動的輪轂電動汽車直線勻速行駛時最好能長時間穩(wěn)

19、定在勻速狀態(tài)， 并且各個電機(jī)電流能處于相對恒定的水平，各輪滑移率較小，基本處于純滾動狀態(tài)， 相互協(xié)調(diào)。勻速行駛的特點(diǎn)是順勢速度的大小和方向都保持不變，加速度為零，是 一種理想化的運(yùn)動。勻速工況下，要分兩個方向比較，即速度和控制方式。在同一 種控制方式下，告訴的電流并不比低速時電流高多少，但是穩(wěn)定性不如低速，滑移 率基本一樣；在同一速度下，等轉(zhuǎn)矩模式的電流與等狀態(tài)模式的電流相當(dāng)，滑移率 也基本相同，因此，對勻速工況來說，采用哪種控制模式并不能充分顯示其優(yōu)越性， 等轉(zhuǎn)矩或是等狀態(tài)對于勻速工況的影響并不明顯。 52.7 本章小結(jié)本章對輪轂電動汽車的動力性進(jìn)行了研究，分析了輪轂電動汽車的最高速度， 加

20、速時間，爬坡能力。還簡單介紹了直線行駛的兩種直線運(yùn)動時的控制方式，即等 轉(zhuǎn)矩控制和等狀態(tài)控制，并簡要比較兩種控制方式對車輛運(yùn)行方式的影響。3 輪轂電動汽車的制動性3.1 制動性的評價指標(biāo)汽車的制動性主要由三個方面的指標(biāo)來評價，制動效能，制動效能的恒定性，制動時汽車行駛的方向穩(wěn)定性 。制動效能，制動效能包括汽車的制動距離，制動減速度和制動力。它是指汽車 在良好路面上以一定初速度制動到停車所駛過的距離，制動時汽車的減速度或制動 力的大小，是制動的最基本得評價標(biāo)準(zhǔn) 。制動效能的恒定性，制動效能的很定性主要是指汽車制動器的抗衰退性能，它 包括抗熱衰退性能和抗水衰退性能。制動時汽車行駛的方向穩(wěn)定性，制動

21、時汽車行駛的方向穩(wěn)定性是指制動時汽車 按給定路徑行駛的能力。若制動時發(fā)生跑偏，側(cè)滑，或者失去轉(zhuǎn)向能力，則汽車將 偏離原來的路徑03.2制動時車輪的受力汽車只有在受到與行駛方向相反的外力作用下才能減速以至停車，由汽車的受 力狀況分析可知，這個外力只能由地面和空氣提供。但由于制動過程中車速較低， 空氣阻力相對較小，所以實(shí)際上制動時的外力主要是由地面提供的。地面提供的這 種使汽車減速直至停車的力成為地面制動力。地面制動力越大，制動減速度越大， 制動距離也越短，所以地面制動力對汽車制動性具有決定性影響。而地面制動力的 大小，主要由制動過程中汽車制動器產(chǎn)生的摩擦力矩的大小決定。下面分析車輪在 制動時的受

22、力狀況0圖3.1所示為良好的硬路面上制動時車輪的受力情況。 圖中滾動阻力偶矩和減速 時的慣性力，慣性力偶矩均忽略不計。 二為車輪的制動力矩，二為車軸對車輪的推 力，”襯是地面制動力，為地面對車輪的法向作用力。顯然，從力矩平衡得到在傳統(tǒng)概念的燃油汽車中，制動一般是采用摩擦片與制動鼓或制動盤的摩擦力 作為車輪的制動力，在制動時是將汽車的慣性能量通過制動器的摩擦轉(zhuǎn)化成熱能散 發(fā)到周圍環(huán)境中去。對于輪轂電動汽車而言，由于電機(jī)具有可逆性，即電動機(jī)在特 定的條件下可以轉(zhuǎn)變成發(fā)電機(jī)運(yùn)行，因此可以在制動時采用回饋制動的辦法，使電 機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，通過設(shè)計好的電力裝置將制動產(chǎn)生的回饋電流充入儲能裝置中， 這樣

23、就可以回收一部分可觀的慣性能量，提高電動汽車的續(xù)駛里程。因此，輪轂電 動汽車的制動力不僅可以用摩擦片的摩擦力提供，而且可以由電機(jī)回饋制動過程中 產(chǎn)生的反向力矩來提供。由受力分析可知，對于輪轂電動汽車的制動性能，和傳統(tǒng)汽車差別并不明顯， 主要區(qū)別在于可以由電機(jī)獨(dú)立提供制動力，因此在制動性方面這里只做簡要介紹， 之后主要研究有關(guān)輪轂電動汽車回饋制動的冋題。3.3輪轂電動汽車的回饋制動的概述回饋制動，又稱再生制動，其原理是在制動時將汽車行駛的慣性能量通過輪轂 電機(jī)以發(fā)電方式工作，為動力電池充電，實(shí)現(xiàn)制動能量的再生利用，這樣就可以回 收一部分可觀的慣性能量，提高電動車的續(xù)航能力。與此同時，產(chǎn)生的電機(jī)制

24、動力 矩又可以對車輪施加制動，產(chǎn)生制動力。根據(jù)制動的目的不同，電動汽車制動可分為減速制動，限速制動和緊急制動。 減速制動和限速制動狀態(tài)下，車輪和電機(jī)仍然處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，但電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相 反。緊急制動則是立即阻止車輪旋轉(zhuǎn)。緊急制動需要很大的制動轉(zhuǎn)矩，這種情況下 若采用電制動，會產(chǎn)生很大的反饋電流，電池難以吸收，而且在安全性方面達(dá)不到 要求（例如需要緊急制動時，若使用電氣制動，突然斷路的話會發(fā)生危險）。因此在緊急制動時通常利用摩擦阻力以機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的動能轉(zhuǎn)化為摩擦熱能，是一 種能量消耗的過程。而減速制動和限速制動則可以采用電氣制動的方式實(shí)現(xiàn)10。電動汽車的電氣制動方式常見的有能耗制動，反接制

25、動和回饋制動。其中能耗 制動和反接制動均需要在電樞回路中串聯(lián)耗能電阻，且制動的能量也是以熱能的形 式散失，得不到回收利用?；仞佒苿涌梢詫⒛芰糠答伒诫娫炊皇窍牡?，這種方 式可以延長電動車在但電池條件下的續(xù)航里程，同時回饋制動與其他電氣制動方式 比較，它無需改變系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，可以對回饋電流進(jìn)行控制，使制動效果與能量 回收效果達(dá)到綜合最佳 10 。因此，回饋制動方式最適合電動汽車，對于回饋制動系統(tǒng)是由常規(guī)的摩擦制動 系統(tǒng)與電制動系統(tǒng)復(fù)合而成的電動汽車，該技術(shù)存在這一下三個問題9：（1）制動的穩(wěn)定性問題。由于電制動力矩隨著車速的變化變化較大，它的制動 過程與傳統(tǒng)燃油汽車只具有摩擦制動的制動系統(tǒng)的

26、制動過程有所不同，對于后輪驅(qū) 動型汽車，由于電制動力矩是加在后輪上的，當(dāng)制動力矩控制不得當(dāng)導(dǎo)致過大時， 會使后輪提前抱死，從而使汽車出現(xiàn)后輪側(cè)滑喪失穩(wěn)定性；對于前輪驅(qū)動型汽車， 電制動力矩位于前輪上，制動力矩控制不得當(dāng)會使前輪過早于后輪抱死，不但使前 輪喪失轉(zhuǎn)向能力，還會使附著利用率降低。（2）制動能回收的充分性問題。即在保證電動汽車制動穩(wěn)定性的前提下，盡可 能多的回收制動能。電動汽車的充電能力受動力電池，電機(jī)工作特性，充電的快慢 等因素影響。由于再生制動時常存在過充電及急速充電等問題，使得電機(jī)和蓄電池 工作條件變得復(fù)雜，因此提高短時間內(nèi)充電系統(tǒng)的充電效率是保證制動能回收充分 性的關(guān)鍵。（3）

27、制動過程的平順性。電動汽車制動時，電制動力矩作為輔助制動力矩將影 響制動踏板與駕駛平順性。需要對電制動力矩的大小進(jìn)行優(yōu)化控制以使電動汽車的 制動與常規(guī)汽車制動系統(tǒng)的制動感覺一樣。3.4 輪轂電動汽車回饋制動技術(shù)的研究內(nèi)容目前，關(guān)于輪轂電動汽車回饋制動技術(shù)的報道并不多，在參考了相關(guān)文獻(xiàn)之后， 初步總結(jié)出 9，其主要內(nèi)容集中在以下幾個方面：（1）在回收制動能的必要性方面：以城市典型工況為例，通過對比傳統(tǒng)車與輪 轂電動汽車的能源經(jīng)濟(jì)性，分析電動汽車回饋制動對整車動力性，能源經(jīng)濟(jì)性影響， 得出電動汽車在城市典型工況下經(jīng)濟(jì)性顯著提高，進(jìn)一步研究表明在正常城市工況 下所需制動功率不會超出回饋制動的制動能力

28、。（2）在回收制動能的效率方面：由于短時間內(nèi)充電系統(tǒng)的充電效率是保證制動 能回收充分性的關(guān)鍵。不同能量貯存器在短時間的充電能力有較大差別，研究表明 以超級電容器為輔，蓄電池為主的貯存系統(tǒng)接受回饋制動能的能力是目前情況下最 好的車載能量貯存器。對于電動汽車驅(qū)動電機(jī)來說，恒功率工作區(qū)域越寬，電機(jī)工 作效率越高。目前比較適合作為電動汽車的驅(qū)動電機(jī)有交流感應(yīng)電機(jī)，永磁無刷直 流電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)。（3）在驅(qū)動電機(jī)與功率轉(zhuǎn)換器的控制技術(shù)方面：采用永磁無刷直流電機(jī)與逆變 器方案作為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，且電氣制動時逆變器的主 回路結(jié)構(gòu)及控制電路不需要作任何變動。（4）在控制策略方面：對于

29、由常規(guī)制動系統(tǒng)與回饋制動系統(tǒng)組成的機(jī)電負(fù)荷制 動系統(tǒng)來說，當(dāng)制動強(qiáng)度較小時，采用純電氣制動；當(dāng)制動強(qiáng)度較大時，采用機(jī)電 復(fù)合制動；當(dāng)制動強(qiáng)度太大時，只采用摩擦制動。在該策略中，摩擦制動系統(tǒng)在結(jié) 構(gòu)與控制方式與傳統(tǒng)燃油車相同，僅需要一個電機(jī)控制器控制電機(jī)產(chǎn)生的電氣制動 力，故結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。3.5回饋制動系統(tǒng)各個制動力變化特性在整個制動過程中，存在著兩種制動力：電制動力、摩擦制動力。這兩種制動 力隨車速的變化特性如圖3.2所示（圖中 為制動初速度）。正常情況下，制動之初 駕駛員松開加速踏板，車輛滑行。此時電機(jī)工作在恒功率制動區(qū)。由于這時是弱制 動強(qiáng)度的制動，相當(dāng)于傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)動機(jī)制動，故

30、采用純電制動往往可以滿足 制動要求。而后隨著駕駛員發(fā)出制動踏板指令，要提高制動強(qiáng)度，這時由于車速仍 然較高，電機(jī)恒功率制動模式下，純電制動滿足不了制動請求，需要摩擦制動力參 與制動。隨著制動的進(jìn)行，車速下降，電制動力逐漸增大，當(dāng)車速下降到電機(jī)恒轉(zhuǎn) 矩區(qū)時，電制動力達(dá)到最大，在這個過程中，對摩擦制動力的請求相應(yīng)降低。當(dāng)車 輛快要停止時，電制動力迅速降為零，此時對摩擦制動力的請求驟然增加。93.6回饋制動的控制邏輯與操作方式要實(shí)現(xiàn)回饋控制的工作要求，需要一個具有高智能化的控制模塊，可以參考如下圖3.3所示的控制邏輯9圖3.3當(dāng)車輛減速時，一方面電機(jī)控制模塊采集電池SOC、車速等信號，根據(jù)電機(jī)扭矩特

31、性圖查表確定電氣制動力大小，另一方面，整車控制模塊采集制動踏板位置信 號及其他相關(guān)信號，根據(jù)前、后輪理想控制動力分配原則或其他形式的制動力分配 原則確定驅(qū)動輪上應(yīng)具有的制動力。然后比較電制動力與驅(qū)動輪上請求制動力的大 小，如果電氣制動力大，則通過電機(jī)控制模塊修正電氣制動力，使電氣制動力等于 驅(qū)動軸上的請求制動力，以滿足車輛制動穩(wěn)定性及制動時的附著利用率要求；如果 電制動力等于驅(qū)動軸上請求制動力，則無需通過電機(jī)控制模塊修正電制動力。如果 電制動力小于驅(qū)動軸上請求制動力，則不足部分通過整車控制模塊控制摩擦力控制 模塊補(bǔ)足所需摩擦力，這樣驅(qū)動軸上的制動力為電制動力與摩擦力之和。在上述控 制過程，從動

32、軸上的摩擦力應(yīng)等于在整車控制模塊中確定的從動軸制動力請求?；仞佒苿哟嬖谝韵氯N典型操作形式 9：（1）回饋制動操縱機(jī)構(gòu)與制動踏板一體化。 根據(jù)制動踏板被踩下加速度的不同， 可分為兩類不同的制動請求。第一類為正常制動操作方式。其制動踏板的行程可分 為二個階段。第一段為純電制動階段。隨制動踏板行程的增加，解釋為電制動逐漸 增強(qiáng)。第二段為機(jī)電復(fù)合制動階段。隨制動踏板的下行，解釋為電制動從逐漸增強(qiáng) 到恒定不變，而摩擦制動逐漸加強(qiáng)。第二類為緊急制動操作方式。此時制動踏板被 急速踩下，摩擦制動力急劇增加，電制動不起作用，防止因瞬時充電功率過大而對 蓄電池等電路器件造成損壞。該操縱方式適合于起動、制動頻繁，

33、的城市工況下使 用的車輛，如城市公交車。（2）設(shè)置回饋制動檔操縱方式。 當(dāng)司機(jī)掛入該檔位時， 則啟動回饋制動， 反之， 退出回饋制動。在該方式下，該車摩擦制動操縱方式不變，其制動效果獨(dú)立。該操 縱方式適合于下長坡緩制動工況。（3）電制動操縱機(jī)構(gòu)與加速踏板復(fù)合操縱方式。該方式下，油門踏板行程分為 三個階段。第一段為電制動階段，隨踏板下行，電制動逐漸減弱，也即松開踏板時， 電制動最強(qiáng)。第二段為空行程，踏板位于此段內(nèi)，既不制動也不加速。第三段為驅(qū) 動行程段，隨踏板下行，電驅(qū)動力矩增強(qiáng)。此操縱方式可使得傳統(tǒng)機(jī)械制動踏板保 持不變，在較簡單的控制模式下達(dá)到較好的回饋制動效果。該方式適合滑行工況較 多的城

34、工況下使用。以上三種方式根據(jù)具體要求可聯(lián)合使用，以達(dá)到操縱方便，盡可能會受制動能 量的目的。3.7 本章小結(jié)本章簡單介紹了輪轂電動汽車制動時車輪受力，分析了輪轂電動汽車與傳統(tǒng)集 中驅(qū)動汽車制動的區(qū)別，重點(diǎn)介紹了通過輪轂電機(jī)實(shí)現(xiàn)的回饋制動（又稱再生制動）的原理和控制的設(shè)想，以此來提高輪轂電動汽車的性能以及能源經(jīng)濟(jì)性。理論上這 種回饋制動完全可行，有待于進(jìn)一步應(yīng)用于實(shí)踐的設(shè)計當(dāng)中。4 輪轂電動汽車的操縱穩(wěn)定性4.1 汽車操縱穩(wěn)定性的概述汽車的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循 駕駛者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當(dāng)遭遇外界干擾時，汽車能抵抗 干擾保持穩(wěn)定行駛的能

35、力。汽車的操縱穩(wěn)定性包括了兩個相互關(guān)聯(lián)的部分，即操縱 性和穩(wěn)定性。操縱性是指汽車能夠確切的相應(yīng)駕駛員指令的能力。穩(wěn)定性是指汽車 抵抗改變其行駛方向的各種外界干擾（路面擾動或風(fēng)擾動） ，并保持穩(wěn)定行駛而不失 去控制，甚至翻車或側(cè)滑的能力。汽車的操縱穩(wěn)定性不僅影響到汽車駕駛的操縱方 便程度，也是影響汽車安全性的重要因素之一 2。汽車操縱穩(wěn)定性不僅影響到汽車駕駛的操縱方便程度，也是影響汽車安全性的 重要因素之一。由于受研究目的、駕駛?cè)蝿?wù)、認(rèn)為感覺及環(huán)境條件等多種因素影響， 使得對汽車操縱穩(wěn)定性的研究和評價變得更為復(fù)雜。汽車操縱穩(wěn)定性的評價方法很 多，但是迄今為止并沒有找到公認(rèn)的客觀定量評操縱穩(wěn)定性的

36、最佳方法。具體有兩 種方法，主觀評價法和客觀評價法。主觀評價法是指讓實(shí)驗(yàn)評價人員根據(jù)試驗(yàn)時自 己的感覺進(jìn)行評價，客觀評價法是指通過測試儀器測出能夠表征汽車穩(wěn)定性能的參 數(shù)，如橫擺加速度、側(cè)向加速度以及側(cè)傾角等來評價操縱穩(wěn)定性的方法。在研究汽 車的固有特性的開路系統(tǒng)中應(yīng)用的是客觀評價法，而在采用閉環(huán)系統(tǒng)研究汽車的操 縱穩(wěn)定性時，通常同時采用客觀評價與主觀評價兩種方法 2。4.2汽車轉(zhuǎn)向時的受力分析如圖 4.1 為汽車的運(yùn)動及其坐標(biāo)示意圖。圖中 Oxyz 坐標(biāo)系固定在地面上，成為 慣性坐標(biāo)系或者大地坐標(biāo)系。 Oxyz 坐標(biāo)系固定在車身上，原點(diǎn)為汽車的質(zhì)心位置。 x軸為車身縱向水平軸，方向向前，y軸

37、水平向左，z軸垂直于由x、y軸構(gòu)成的平面, 方向向上。 x、y、z 軸構(gòu)成一個右手直角坐標(biāo)系，成為車輛坐標(biāo)系。x圖4.1如果將汽車作為一個整體來研究，其在三維空間中的運(yùn)動主要包括：沿X方向的平動一縱向運(yùn)動；沿y向的平動一側(cè)向運(yùn)動；沿z向的平動一上下運(yùn)動；繞x軸 的轉(zhuǎn)動一側(cè)傾運(yùn)動；繞y軸的轉(zhuǎn)動一俯仰運(yùn)動；繞z軸的轉(zhuǎn)動一橫擺運(yùn)動。其中沿x 方向的平動、沿z方向的平動以及繞y軸的轉(zhuǎn)動與轉(zhuǎn)向操縱沒有直接關(guān)系，而其他 的運(yùn)動是由轉(zhuǎn)向操縱直接引起的。因此，也就是汽車操縱穩(wěn)定性研究的主要內(nèi)容。圖4.2上圖4.2所示，是線性二自由度汽車模型的受力分析圖，圖中，S為汽車的前輪轉(zhuǎn)角，旳，為汽車前后輪上的側(cè)偏角(車

38、輪的旋轉(zhuǎn)平面與車輪行駛速度方向之間 的夾角)。汽車前后軸中點(diǎn)的速度分別為和，汽車質(zhì)心的速度為V，汽車?yán)@質(zhì)心作角速度為_的轉(zhuǎn)動。由運(yùn)動學(xué)推導(dǎo)，可得到汽車在二自由度運(yùn)動時的運(yùn)動微分方 程為：1(k1+lca)P+-(ak1-bkJ)M-k1 = m (才+叫)(a-bkpl-Cakj +b2k2)wr -ak = Izw/穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過程中，汽車以一定的前輪轉(zhuǎn)角和一定的速度沿一定的半徑等速圓周 運(yùn)動。此時，廠，：二-。經(jīng)過整理得：(巴)=V 6 A 1 + Ku2該試左邊成為穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益，也稱為轉(zhuǎn)向靈敏度，式中K稱為穩(wěn)定性因數(shù)，表達(dá)式為：從K的表達(dá)式可以看到,K僅與汽車的質(zhì)量、汽車的質(zhì)心位置以及

39、前后輪的側(cè)偏剛度等有關(guān)，它是汽車本身具有的一個特性。但是世紀(jì)汽車的穩(wěn)定性因數(shù) K值受很多 因素的影響，不能簡單的利用上面的表達(dá)式計算求得， 通常在計算K值時非常復(fù)雜， 因此應(yīng)用試驗(yàn)的方法較為普遍。4.3汽車在前輪角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的類型穩(wěn)定性因數(shù)K是表征汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一個重要參數(shù)。隨著汽車行駛速度的變化, 汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)可以按照穩(wěn)定性因數(shù) K的數(shù)值分為中性轉(zhuǎn)向，不足轉(zhuǎn)向和過度轉(zhuǎn)向 三類2:中性轉(zhuǎn)向：當(dāng)穩(wěn)定性因數(shù) K=0時，橫擺角速度增益與車速成正比關(guān)系，斜率為 1/L。這種響應(yīng)稱為中性轉(zhuǎn)向。同時也可以利用轉(zhuǎn)向半徑來判斷。從上面的公式中可 以看出，當(dāng)K=0時，汽車的轉(zhuǎn)向半徑R與汽車的行駛速度

40、無關(guān)，無論形式速度怎么 改變，只要前輪的轉(zhuǎn)向角 S保持不變，汽車的轉(zhuǎn)向半徑總是保持一定的值L/國不足轉(zhuǎn)向：當(dāng)穩(wěn)定性因數(shù) K>0時，橫擺角速度增益比中性轉(zhuǎn)向時小，橫擺角速度增益與速度的曲線是低于中性轉(zhuǎn)向的汽車穩(wěn)態(tài)增益曲線，且隨著汽車行駛速度的 增加，曲線呈現(xiàn)向下的趨勢。具有這樣特性的汽車稱為不足轉(zhuǎn)向汽車。隨著穩(wěn)定性 因數(shù)的增大，橫擺加速度增益曲線越低，不足轉(zhuǎn)向越大。當(dāng)穩(wěn)定性因數(shù)K>0時，汽車的轉(zhuǎn)向半徑增大，且隨著車速的平方增大。R二(1 + Ku3) 7D在不足轉(zhuǎn)向特性下橫擺加速度增益有一個最大值，即特征車速L出。對行駛車速與穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益取極值可以得到特征車速為總除過多轉(zhuǎn)向：當(dāng)

41、穩(wěn)定性因數(shù) K<0時，橫擺角速度增益比中性轉(zhuǎn)向時大，橫擺角速 度增益與速度的曲線是高于中性轉(zhuǎn)向的汽車穩(wěn)態(tài)增益曲線，且隨著汽車行駛速度的 增加，曲線呈現(xiàn)向上的趨勢。具有這種特性的汽車稱為過多轉(zhuǎn)向汽車。顯然，利用 橫擺角速度與行駛車速的關(guān)系可以得到在過度轉(zhuǎn)向特性下汽車的臨界車速乜卩即當(dāng)汽車行駛速度為： '；.- - !<時，穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益趨于無窮大。同理，它是表征過渡轉(zhuǎn)向量得一個參數(shù)，隨著臨界車速的降低，汽車的過多轉(zhuǎn)向越大。過多轉(zhuǎn)向的汽車當(dāng)行駛車速達(dá)到臨界車速時將失去穩(wěn)定性。因?yàn)樵谂R界車速附 近是，橫擺角速度增益趨于無窮大，因此只要及其微小的前輪轉(zhuǎn)角便會產(chǎn)生極大的 橫擺角速

42、度。意味著汽車的轉(zhuǎn)向半徑極小，汽車發(fā)生激轉(zhuǎn)導(dǎo)致側(cè)滑或者翻車事故。 一般來說，由于過多轉(zhuǎn)向的汽車容易失去穩(wěn)定性，故汽車都應(yīng)該具有適度的不足轉(zhuǎn) 向特性。4.4四輪獨(dú)立驅(qū)動的輪轂電動汽車轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)矩控制為了保證車輛在轉(zhuǎn)彎以及在不平路面行駛時內(nèi)外輪轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)分配，在傳統(tǒng)汽 車上，內(nèi)燃機(jī)所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩傳遞到各驅(qū)動輪，之間經(jīng)過了動力傳動機(jī)構(gòu)以及機(jī) 械差速裝置，機(jī)械差速機(jī)構(gòu)保證了對應(yīng)兩個內(nèi)外輪間輪速的協(xié)調(diào)分配，同時也產(chǎn)生 了一個問題，那就是機(jī)械差速器對驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩的分配屬于平均方式，在左右輪路況 一致的情況下不會產(chǎn)生較大問題，但當(dāng)路況惡劣的時候，由于車輪出現(xiàn)打滑就會進(jìn) 一步破壞輪速的協(xié)調(diào)。針對這一問題，隨著

43、傳統(tǒng)汽車主動安全技術(shù)的發(fā)展，許多基 于復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝置相繼推出，其中包括超級全輪驅(qū)動、限滑差速器等轉(zhuǎn)矩分配 裝置。由于四輪獨(dú)立驅(qū)動的輪轂電動車每個車輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩獨(dú)立可控，轉(zhuǎn)矩分配的自 由度增加。在理論上可依據(jù)不同的工況直接控制各輪的輸出轉(zhuǎn)矩 ，既可以避免車輛因 轉(zhuǎn)矩過大而對地滑轉(zhuǎn) ，又可以根據(jù)需求提供足夠的驅(qū)動力。 省略各驅(qū)動輪之間的機(jī)械 連接，使驅(qū)動輪的運(yùn)動自由度得以較多提升，雖然電動輪驅(qū)動系統(tǒng)帶來諸如電子差 速、驅(qū)動轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)等技術(shù)難題，但同時也給電動輪高集成控制帶來了新的空間。因 此，四輪獨(dú)立驅(qū)動車輛在操縱性和穩(wěn)定性方面較傳統(tǒng)集中驅(qū)動方式具有顯著的優(yōu)勢。如前面所述，不管在直線行駛還是轉(zhuǎn)彎

44、時，傳統(tǒng)汽車的差速器具有平均分配兩 側(cè)車輪轉(zhuǎn)矩的特性。在直線行駛時平均分配兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)矩一般情況下是合理的， 但轉(zhuǎn)彎時也平均分配轉(zhuǎn)矩似乎有點(diǎn)問題。實(shí)際汽車在轉(zhuǎn)彎時有時會出現(xiàn)各種各樣的 問題。比如，當(dāng)車速比較高時轉(zhuǎn)彎半徑過大，解決這個問題的方法一是在轉(zhuǎn)彎前降 低轉(zhuǎn)速，二是增大外側(cè)車輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，同時減少內(nèi)側(cè)車輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩甚至對內(nèi)側(cè) 車輪進(jìn)行制動。其中第二個方法對集中驅(qū)動的傳統(tǒng)汽車是無法做到的，但是輪轂電 動汽車可以做到。具體的做法是：汽車直線行駛時對兩側(cè)車輪平均分配轉(zhuǎn)矩，當(dāng)控 制系統(tǒng)檢測到駕車人有轉(zhuǎn)彎的意圖時（方向盤出現(xiàn)較大偏轉(zhuǎn)角），則對兩側(cè)車輪的 轉(zhuǎn)矩有差別地進(jìn)行分配，轉(zhuǎn)矩差額的相對大小與方向

45、盤轉(zhuǎn)角的大小和當(dāng)時的車速有 關(guān)。具體的分配比例在保證不發(fā)生車輪側(cè)滑的情況下可以通過實(shí)驗(yàn)確定。總的原則 是：方向盤轉(zhuǎn)角越大，車速越高，則兩側(cè)車輪的相對轉(zhuǎn)矩差額越大。通過這樣的設(shè) 計和實(shí)驗(yàn)，可以使汽車轉(zhuǎn)彎更加平穩(wěn)、靈活，甚至可以做到原地轉(zhuǎn)彎，這對于在復(fù) 雜地形下使用的工程車、越野車等無疑是很有意義的。以提高車輛操縱性和穩(wěn)定性為目的的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制，通過車輛當(dāng)前橫擺角速度 的反饋，以及由方向盤信號、當(dāng)前車速所得到的理想橫擺角速度，幫助駕駛員糾正 路徑偏差，甚至在車輛失控情況下實(shí)行系統(tǒng)主動控制，全面提高車輛的轉(zhuǎn)彎性能以 及加速性能，保障車輛的穩(wěn)定性，這就是直接橫擺力矩控制的特點(diǎn)，針對電動輪驅(qū) 動電動汽車

46、各輪獨(dú)立可控的特點(diǎn)， 獨(dú)立改變車輛內(nèi)外側(cè)的驅(qū)動力達(dá)到汽車穩(wěn)定行駛， 在以主動安全為目標(biāo)的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制中該方法更是得到充分的應(yīng)用。該系統(tǒng)中主控 制器通過轉(zhuǎn)向二自由度模型以及汽車狀態(tài)參數(shù)，計算出期望的橫擺角速度，并以此 為基礎(chǔ)對當(dāng)前控制方式進(jìn)行決策，而其余的模糊控制器及轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制器，則分別 控制由于橫擺控制器產(chǎn)生的相應(yīng)輪子的轉(zhuǎn)矩輸出，使輪胎力達(dá)到飽和的轉(zhuǎn)矩，防止 驅(qū)動輪滑移。 12轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制時對車輛影響的受力分析圖如下圖 4.3假設(shè)具有兩個自由度的車輛模型，其動力學(xué)方程可以描述為：Fncos8+Fj2 = mayBaFylcos5 + -FylsinS一bFy；二 Iff£i式中，一

47、、卜證分別為前、后輪的側(cè)偏力；m為汽車的質(zhì)量；為汽車質(zhì)心側(cè)向加 速度；為汽車質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量；丫為汽車的橫擺角加速度。由上述兩式可以看出，珀、1*之和等于遍?，但二者數(shù)值大小的分配的原則取 決于的大小。穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向條件下，通過轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)策略，增加一個橫擺力矩，增大后 外輪作用力:_，減小后內(nèi)輪作用力二，再假設(shè)車輛是以恒定角速度轉(zhuǎn)彎，則車輛力矩平衡方程為：BB 丁、fiFjacos6+-Fjistafi+- （%-F也）-吟=0顯然，此時I蟻減小，：域增大，相應(yīng)的前輪側(cè)偏角減小，后輪側(cè)偏角增大，則汽 車的不足轉(zhuǎn)向量減小，前輪達(dá)到輪胎附著極限的車速提高，改變了車輛的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向 特性。當(dāng)車輛在接近極限工況時，

48、隨著如的減小，還可以給前輪創(chuàng)造一個提供更大 驅(qū)動力的空間，是的汽車有更好的動力性。如圖 4.4所示，由于載荷轉(zhuǎn)移的影響，33前內(nèi)輪首先達(dá)到附著極限，這是由于前內(nèi)輪側(cè)向力減小，則縱向力增大的空間變大。12改變后 改變前圖4.4在傳統(tǒng)車輛中，通過方向盤轉(zhuǎn)角的變化來改變車輛的方向。發(fā)動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 在左、右輪的分配相等，縱向力僅僅作為驅(qū)動力矩。轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)分配系統(tǒng)利用驅(qū)動轉(zhuǎn) 矩產(chǎn)生控制橫擺力矩，可以提高車輛轉(zhuǎn)彎加速的不足轉(zhuǎn)向的極限，并且車輛的操縱 性得到極大提高。允驅(qū)動力改變前 改變后圖4.5車輛在轉(zhuǎn)向行駛工況下，由于垂直載荷的影響，內(nèi)、外驅(qū)動輪的摩擦圓如圖4.5所示。在驅(qū)動力達(dá)到極限時，內(nèi)側(cè)驅(qū)動車輪的

49、轉(zhuǎn)向力為零，僅外側(cè)車輪提供轉(zhuǎn)向力。 在獨(dú)立驅(qū)動系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)可以減小內(nèi)側(cè)內(nèi)輪轉(zhuǎn)矩、增大外輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。驅(qū) 動力比例的范圍和內(nèi)外輪的轉(zhuǎn)向力的變化趨勢。在與傳統(tǒng)車輛相同的總的縱向力情 況下，轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)系統(tǒng)可以選擇最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩分配比例，使得轉(zhuǎn)向力最大，保證車輛在 轉(zhuǎn)彎時具有更好的彎道動力性能，提高車輛的穩(wěn)定性。12從以上分析可知，在車輛的左、右輪施加不同的驅(qū)動力矩可以直接控制車輛的 橫擺，進(jìn)而改變車輛的縱向與側(cè)向動力學(xué)特性，提高車輛的操縱性和穩(wěn)定性。車輛 的橫擺方程為：BIzY=aFylcoSS + 亍 bg + 叫式中：為由各州上的驅(qū)動力產(chǎn)生的橫擺力矩BM嚴(yán)亍(F魂-卩鄧6 +厲-FJ可以將定義為

50、穩(wěn)定性橫擺力矩，分別為四個輪子的驅(qū)動力。的變化一方面是由于制動力或驅(qū)動力變化帶來輪胎特性的變化產(chǎn)生，另一方面是由 于加速或者減速帶來的輪胎載荷的轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生。為了保證車輛的穩(wěn)定行駛，采用協(xié) 調(diào)各個輪子的驅(qū)動力矩的方法使車輛的橫擺角速度盡量保持理想橫擺角速度。理想 的橫擺角速度是由線性二自由度模型產(chǎn)生的。理想的橫擺角速度可以由下面的公式 來確定：1 U叫_ l + Ku護(hù)4.5本章小結(jié)本章主要研究了輪轂電動汽車的操縱穩(wěn)定性，采用汽車二自由度模型，對輪轂 電動汽車轉(zhuǎn)彎時的受力進(jìn)行分析，重點(diǎn)著眼于四輪驅(qū)動的輪轂電動機(jī)轉(zhuǎn)彎時的轉(zhuǎn)矩 協(xié)調(diào)控制，通過控制左右驅(qū)動輪的驅(qū)動力，提高輪轂電動汽車的轉(zhuǎn)彎性能。5輪轂

51、電動汽車的行駛平順性5.1輪轂電動汽車行駛平順性的概述輪轂電動汽車汽車行駛時，由于干擾力的作用而產(chǎn)生振動。引起振動的振源主 要有兩個：一個是由地面不平引起的隨即干擾力。這種干擾力的變化規(guī)律除了與地 面的幾何形狀有關(guān)外，還與行駛速度、車輪直徑、輪胎的彈性等有關(guān)。另一個是由 輪轂電動機(jī)力矩不均勻造成的干擾力矩。輪轂電動汽車的行駛平順性，是指汽車能吸收行駛時所產(chǎn)生的各種沖擊和振動 的能力，保持汽車在行駛過程中產(chǎn)生的振動和沖擊環(huán)境對乘員舒適性的影響在一定 界限之內(nèi)。它是評價汽車使用性能的意向重要指標(biāo)。汽車的行駛平順性可以由圖5.1所示的“路面一汽車一人”系統(tǒng)的框圖來分析:圖5.1振動系統(tǒng)由輪胎、懸架、

52、座椅等彈性、阻尼元件和懸掛、非懸掛質(zhì)量構(gòu)成。路 面不平和車速形成了對汽車振動系統(tǒng)的輸入， 振動系統(tǒng)的輸入經(jīng)過振動系統(tǒng)的傳遞, 得到系統(tǒng)的輸出一一懸掛質(zhì)量或進(jìn)一步經(jīng)座椅傳至人體的加速度。此加速度通過人 體對振動的反應(yīng)一一舒適性程度來評價汽車的平順。2對于振動，輪轂電動汽車雖然四輪驅(qū)動簡化了傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減輕了整車質(zhì) 量，而且提高了傳動效率，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的底盤控制，但是，由于輪轂電機(jī)直接與車輪 相連，增加了非懸掛載質(zhì)量，將會引起電動汽車垂向振動幅度加大，影響輪胎接地 特性，不利于車輛的動力學(xué)控制與行駛平順性 ，這也是目前輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動電動汽 車沒有被接受的原因之一。因此要在傳統(tǒng)集中驅(qū)動電動汽車的基

53、礎(chǔ)上，為輪轂電機(jī) 的電動輪提出新的減振布置形式與相應(yīng)的動力減振機(jī)構(gòu)。來減小輪轂電動汽車行駛 過程中的垂直振動，提高汽車的行駛平順性。5.2輪轂電動汽車的垂直振動特性研究輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車與傳統(tǒng)集中驅(qū)動電動汽車相比，改變了非懸掛質(zhì)量與懸掛質(zhì)量的比值，其質(zhì)量參數(shù)的變化由表1所示的四分之一車輛模型參數(shù)可知。 輪轂電 機(jī)與車輪直接相連，增加了非懸掛質(zhì)量，減小了懸掛質(zhì)量，勢必對汽車的垂向動力學(xué) 產(chǎn)生影響。垂向動力學(xué)可以從兩個方面進(jìn)行評價 13:（1）輪胎接地力的波動量。（2）懸掛質(zhì)量的垂向振動加速度。此處從振動的角度，采用四分之一車輛模型對輪轂電動汽車系統(tǒng)進(jìn)行了分析, 尋求減小振動的方法。車輛參數(shù)集中

54、電機(jī)驅(qū)動電動汽車輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車帶有減振機(jī)構(gòu)的輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車非懸掛質(zhì)量ml （kg）355542.5懸掛質(zhì)量m2（ kg）265245245動力減振機(jī)構(gòu)m3（ kg）-12.5輪胎剛度k1（ N/m）300000300000300000懸架剛度k2（ N/m）240002400024000動力減振機(jī)構(gòu)剛度k3（N/m）-20000動力減振機(jī)構(gòu)剛度k4（N/m）-20000輪胎阻尼C1（N/（ m/s）505050懸架阻尼C2（N/（ m/s）120012001200動力減振機(jī)構(gòu)阻尼C3（N/（ m/s）-1000動力減振機(jī)構(gòu)阻尼C4（N/（ m/s）-1000整車垂向振動分析采用四分

55、之一車輛模型，簡化四分之一車輛模型，簡化為雙 質(zhì)量振動系統(tǒng)，如圖5.2所示。模擬電動汽車在 B級路面行駛過程中的垂向振動。 傳統(tǒng)的集中電機(jī)驅(qū)動電動汽車的懸掛質(zhì)量包含集中電機(jī)的質(zhì)量，而輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車的電機(jī)質(zhì)量則由懸掛質(zhì)量移至非懸掛質(zhì)量，懸掛質(zhì)量與非懸掛質(zhì)量的比值變化導(dǎo)致了車輛垂向振動特性的改變。圖5.2對此模型進(jìn)行微分方程計算和推導(dǎo)，可以得出汽車行駛平順性常用懸掛質(zhì)量與 非懸掛質(zhì)量的比值來評價，即謂/型的值越大，其行駛平順性往往越好，由于計算過 程較為復(fù)雜，此處只引用其結(jié)論。輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車中 ，由于懸掛質(zhì)量減小，非 懸掛質(zhì)量增加，從而影響了整車的行駛平順性。 按照這一思路，可以通過機(jī)

56、構(gòu)設(shè)計調(diào) 整質(zhì)量分布，提高懸掛質(zhì)量與非懸掛質(zhì)量的比值來提高平順性。由于輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車采用的是低速外轉(zhuǎn)子盤式電機(jī)，通常情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)子與車輪直接相連，而定子固定在輪軸上，這樣整個電機(jī)質(zhì)量均屬于非懸掛質(zhì)量。考 慮到電機(jī)的定子固定于輪軸上，并不與車輪一起轉(zhuǎn)動，可以將定子做成中空，來減小 非懸掛質(zhì)量，其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖5.3所示。還可通過改變輪轂結(jié)構(gòu)來減小車輪整體 的質(zhì)量，這就對車輪材料以及輪胎結(jié)構(gòu)提出新的要求。輪胎 輪儀電機(jī)轉(zhuǎn)尹定子圖5.35.3本章小結(jié)本章對輪轂電動汽車的行駛平順性進(jìn)行了簡單的分析，針對輪轂電動機(jī)的特點(diǎn), 分析了電動輪垂向特性，提出了理論可行的設(shè)計方案，由于本章并不作為重點(diǎn)，且 本人對平順性研究的局限性，沒有進(jìn)行深入的計算和研究，只做簡要的分析和簡單 的理論研究。6結(jié)論與展望本文結(jié)合傳統(tǒng)汽車的動力性，制動性，操縱穩(wěn)定性，行駛平順性，來分析研究 了輪轂電動汽車動力性能。得到的結(jié)論如下：（1）通過輪轂電動汽車動力性的研究，分析了輪轂電動汽車與傳統(tǒng)集中驅(qū)動汽 車在直線運(yùn)動時最高速度，加速時間，爬坡能力等性能的區(qū)別與聯(lián)系，提出輪轂電 動機(jī)在動力性方面完全可以達(dá)到甚至超越傳統(tǒng)集中驅(qū)動汽車的水平。在控制方式上， 四