適用于智能網聯汽車的輪轂電機四輪驅動動力系統開發

羅映 徐熊 王淑超 趙宗凱 盧浩 李靖 趙磊

摘要：輪轂電機和四輪驅動具有獨特的性能優勢，本文對動力系統進行詳細計算，設計了一款適用于智能網聯汽車的電動四輪獨立驅動線控動力系統。

關鍵詞：智能網聯汽車;輪轂電機;動力系統

0? 引言

電動化和智能化是當代汽車發展的必然趨勢，采用輪轂電機的電動汽車底盤具有如下優點[1]：

①將汽車的動力、傳動、制動等系統集中在車輪內部，簡化了車輛的機械結構，從而降低了生產和維護成本、降低故障率。②整車質量降低，從而降低整車能量消耗，且更容易實現制動能量回收，增加續駛里程。③提高了整車的靈活性，采用四輪獨立驅動，可實現較小的轉彎半徑，甚至能夠實現原地轉向。④提高了整車可靠性，智能網聯汽車最終將實現無人駕駛，而采用四輪獨立驅動線控底盤，即使有兩個驅動輪失去動力，也能“跛行回家”，因此更適用于智能網聯汽車。

本文將北汽EV150電動汽車的四輪全部改裝成輪轂電機，采用自研的整車控制器VCU通過CAN總線與四個車輪的電機驅動器進行通訊，對整車控制算法進行了建模，最終實現四輪獨立驅動，可用于智能網聯汽車的研發和功能測試，為實現無人駕駛打下了基礎。

1? 整車動力性計算

汽車的動力性能評價指標包括最大車速、最大加速度和最大爬坡度，根據GB/T28382-2012標準要求，取動力性能指標如表1所示。

本文是在北汽新能源EV150電動汽車上進行改裝，其主要參數如表2所示[2]。

汽車在正常行駛狀態下，必須克服滾動阻力Ff、空氣阻力Fw、坡度阻力Fi和加速阻力Fj，所以汽車行駛的總阻力為[3]：■，如圖1所示。

1.1 最高車速計算[3]

當汽車以最大速度在良好路面上行駛時，汽車主要受到的行駛阻力為滾動阻力Ff和空氣阻力Fw，即：

其中滾動阻力Ff為滾動阻力系數與車輪負荷的乘積，一般的瀝青或混凝土路面的滾動阻力系數為0.018-0.020，取上限值f=0.020作為滾動阻力系數的值，g取9.8m/s2。由此可得：

空氣阻力包括形狀阻力、干擾阻力、內循環阻力、誘導阻力以及摩擦阻力，其中占據較大比例的為形狀阻力，經驗公式：

CD表示空氣阻力系數;A表示迎風面積（m2）;？籽表示空氣密度，常規情況下？籽的值取為1.2258N·s2·m-4;ut表示汽車行駛相對速度，此處不考慮風的影響，所以ut即汽車的行駛速度。當前大多數轎車的空氣阻力系數CD值為0.30以下，為保證所設計整車的動力性充足，故將空氣阻力的值CD取為0.3，已知迎風面積約為1.9m2，因此當汽車以最大速度120km/h在良好路面上行駛時，其消耗的功率：

1.2 最大加速度計算[3]

國標GB/T28382-2012提出純電動車輛0-50km/h加速時間應不超過10s（對應加速度為1.389m/s2）。當汽車在良好的路面上進行加速行駛時，鑒于汽車驅動電機外特性，定義汽車從靜止以恒定最大加速度加速至50km/h，此時汽車的行駛阻力主要包括滾動阻力、空氣阻力和加速阻力，滾動阻力Ff和空氣阻力Fw與計算最高車速時類似。

由于本車設計為采用輪轂電機的電動汽車，無傳動系及變速器，所以僅考慮車輪的旋轉慣量，經計算輪轂、輪胎、剎車盤和輪轂電機的轉動慣量如表3所示，代入公式2.1.2c計算可得旋轉質量換算系數值為1.029：

1.3 最大爬坡度計算[3]

汽車低速狀態下在最大爬坡度所對應的坡道上行，能夠保證自身動力性的狀態下，汽車的行駛阻力主要由滾動阻力、空氣阻力以及坡度阻力構成。且滾動阻力和空氣阻力與其自身的重力由直角變化為銳角，重力沿坡道方向的分力即汽車上坡時所必須克服的坡度阻力。

當汽車在最大爬坡度（20%）所對應的坡道（約為11.3°）上行，以12km/h的速度勻速行駛時（此時也可以忽略空氣阻力，因為是最低車速，這時的功率應該根據TNP的關系來算），其消耗的功率及對應扭矩：

根據上述分析和計算，所選電機的總功率不小于34kW，總力矩不小于986N·m，由于是四輪驅動電機，因此單個電機的功率不小于6.8kW，力矩不小于246.5N·m。

2? 電機選型

目前，可以應用于輪轂電機四輪驅動電動汽車的電機地類型主要為：無刷直流電機、開關磁阻電機、感應電機和永磁同步電機，由于永磁同步電機體積小、質量輕、可靠性高，并且在運行的過程中噪音和振動比其他電機都表現出了良好的性能，所以選用永磁同步電機并選配了相應的電機驅動器，如圖2所示為電機和驅動器實物。

鑒于市面成品輪轂電機可選量較少因素，最終選擇的電機參數如表4所示。

根據上面的計算，將所選電機額定扭矩代入公式，將峰值扭矩代入公式，可以反推計算出車輛的最高車速、最大加速度和最大爬坡度如表5。

3? 線控動力系統控制實現

如圖3所示，該線控動力驅動系統由4個獨立的輪轂電機、每一個輪轂電機配有各自的電機驅動器，工作時互相獨立不干涉，4個電機均裝有旋轉變壓器，以實時反饋電機旋轉的角度和轉速。驅動模式有兩種：轉速PID閉環控制模式和轉矩PID閉環控制模式。該線控動力驅動系統還包括整車控制器VCU、加速踏板傳感器，整車控制器采集加速踏板傳感器信號，解算成速度或轉矩信號后通過CAN-BUS總線發送至電機驅動器，來實現四個輪的獨立驅動。

需要注意的是：安裝前必須針對電機參數對驅動器進行各項參數標定，才能實現在不同行駛工況下對電機的轉速和轉矩進行精確控制，根據控制要求，制定通訊協議如表6所示。

動力驅動系統由整車控制器VCU作為核心控制器，通過CAN總線與各輪轂電機驅動器實現信號收發，驅動器根據接收到的VCU的控制信號對電機的轉矩和轉速進行控制（如圖4所示）。在整個過程中，旋轉變壓器、輪速傳感器和扭矩傳感器持續工作，實時監測車輪轉速和車輪轉矩，并通過CAN總線反饋給整車控制器。VCU根據接收到的反饋信號，對發出的控制信號進行實時調整，精準控制電機轉速和轉矩，其控制模式又細分為轉矩閉環PID控制以及轉速閉環PID控制。

4? 控制系統建模

本模型采用simulink軟件對驅動控制系統進行建模，硬件采用PM-ECMV2可配置控制器，功能包括：人工駕駛控制模式、自動駕駛線控模式、仿真調試模式。

如圖5所示，模型由數據采集模塊、故障診斷模塊、VCU處理模塊、四輪驅動處理模塊、執行器控制模塊等組成。

4.1 人工駕駛控制模式

控制使用的信號有加速信號、制動信號、檔位信號、車速信號、停止信號，然后計算得到輸出整車控制扭矩，發送給四輪驅動模塊然后分配給4個驅動輪。

整車扭矩包括行車扭矩、起步扭矩、能量回收扭矩三部分。其中行車扭矩計算模塊（Cal_Acc_Tq）利用加速信號做開環扭矩輸出，啟動扭矩計算（Cal_Starting_Tq）通過車速閉環計算扭矩輸出、制動能量回收計算（Cal_Recycle_Tq）通過車速查表獲得回收扭矩值，如圖6所示。

4.2 自動駕駛線控模式

當檢測到由人工駕駛切入到自動駕駛狀態時，控制系統進入自動駕駛模式，自動駕駛模式下的加速信號、檔位信號、轉向燈、制動燈、喇叭等信號由自動駕駛決策控制器（本文不涉及）通過CAN總線下發，然后通過多路選擇器后進入整車控制邏輯，如圖7所示。

4.3 仿真模式

當檢測到由人工駕駛模式進入到仿真調試模式時，系統自動進入到仿真調試模式，該模式下，所有輸入和輸出信號參數均可通過仿真模型進行在線修改，在仿真環境中驗證控制算法，控制模型如圖8所示。

5? 總結

本文對輪轂電機四輪驅動電動汽車的線控驅動系統的動力系統進行了計算，并對控制系統進行了詳細設計，最后經實車實驗（如圖9所示），完成了對動力系統設計的功能和性能驗證。實驗證明，最高車速121km/h，最高爬坡度20%，最大加速1.83m/s2，滿足設計要求。

參考文獻：

[1]陳國迎.四輪獨立線控電動汽車試驗平臺搭建與集成控制策略研究[D].長春：吉林大學，2012.

[2]張玉良.體驗北汽純電動汽車E150EV[D].青海：青?？萍?，2012.

[3]余志生，汽車理論[M].五版.北京：機械工業出版社，2015.