四轮驱动电动汽车的转矩控制系统.docx

摘要为了转变经济增长方式，为社会构建出一个稳定'清洁、友好的环境。国家对于汽车尾气排放的严格要求正在不断促进新能源出行方式、绿色生活方式的到来。作为新能源电动汽车的突出代表之一，四轮毂电机欢动的电动汽车的特点是四个轮毂由四个电机独立控制，具有很大的控制自由度。本文的研究对象是四轮毂电机驱动的电动汽车，基于其控制系统模型，对车辆的稳定性问寇展开研究，并设计实验进行分析。首先，本文对四轮驳动电动汽车的发展背景与研究现状进行了阐述，指出当今国家的多项经济、文化政策均围绕环境友好的中心展开。因此，作为零排放'少能耗的代表，新能源电动汽车逐渐走向了我们的视野中，受到了各国和政府的大力推广。其次，在针对车辆动力学的仿真的专业软件CARS1.M中，进行电动汽车的参数匹配与改装，实现了电动汽车的车体建模，其参数来自于传统车辆的动力学模型.而电机模型和主要的控制系统模型在MAT1.AB-SimU1.ink中搭建，作为转矩控制策略实现的基础。然后通过联合仿真的接口,将CARSD1.中的车体模型与MAT1.AB-Simu1.ink中搭建的电机控制模型连接，组成一个完整的四轮驱动电动汽车的模型，实现联合仿真.然后，深入分析车辆可能发生失稔的原因，以日常的行驶过程为立足点，研究驱动力的分配，得出了对车辆行驶过程中稳定性产生显著影响的因素一横摆角速度，并研究了改善横摆角速度稳态响应的转矩分配策略。通过合理调整左右车轮各自的力矩，改善了横摆角速度的动态性能，使车辆在行驶过程中的转向稳定性得到显著提高.关键词：四轮驱动电动汽车，转向稔定性，横摆角速度，仿真实骗绪论11论文的研究背景及意义1.1.H研究背景近百年来，许多大型工厂的兴起和大量煤炭的消耗造成了空前的空气污染，大量的工业化学排放物增加了未经处理的人类废物的负荷。而随着汽车产业的快速是发展，私人汽车越来越普及，汽车尾气的排放也成为环境污染的主要原因之一。而当今世界的发展一直在强调和谐与环保，大量的尾气排放显然与这一趋势相背离，于是新能源汽车逐渐走入了人们的生活。2019年，中美契易摩擦与汽车工业的转型压力的影响下，我国汽车销量依然蟒联全球第一，为2576.9万辆。根据市场调查预测评估得出，2025年中国国内汽车销量有望达到3500万辆，其中新能源汽车占比将超过20K能源环境问题与汽车行驶安全问跑在不断地提醒人们加速推动汽车领域研究中电动汽车的发展。四轮驱动电动汽车作为汽车发展的新型技术，凭借其特有的优势，正在逐步占领电动汽车研究领域的研究重心。从发达国家的高校和汽车企业开始研究，随着新能源汽车热潮席卷全球，这项技术将会成为我国在汽车大国向汽车强国转变过程中必不可少的一个环节。虽然目前市场上存在许多研发与生产电动汽车的企业，但我国对四轮驱动电动汽车的研究开始的较晚，现在依然处于起步的阶段。此外，在传统燃油汽车的稳定性设计与研发的过程中，各类技术已经日渐成熟，广泛应用于市场。而作为最新兴起的一类汽车，电动汽车的多轮驱动方式相比燃油汽车的传统机械驱动方式更加新颍，摒弃了燃油汽车传统的底盘控制技术，取而代之的是以轮毅电机驱动的新型动力方式。其动力学控制可基于转矩而实现快速响应，四个独立可控的轮毂电机赋予了电动汽车更多的可研究性。汽车是经济发展和交通运输不可或缺的载体，目前我国的汽车保有量也在不断增长。在汽车销量带动国家经济发展的同时，我国也成为国际上由于交通问题而导致伤亡最多的几个国家之一。因为交通事故等安全隐患正在日益加重，人们对于汽车的性能提出了更高的要求，包括车身的稳定性，防滑防水的性能等。随着互联网和人工智能技术的兴起与发展，未来，汽车领域将出现智能控制驾驶与无人驾驶模式，真正实现汽车驾驶的智能化。在这之前，轮毂电机电动汽车的发展还有很长的一段路要走，因此深入研究轮毂电机的转矩分配系统显得尤为重要。1.1.2研究的目的与意义轮较电机驱动方式被广泛的应用于四轮驱动电动汽车，车轮与电机直接相连，实现车轮与电机一一对应的驱动，将传统的动力控制方式转变为电气控制，替换掉了传统汽车中大量的传动机构，简化了汽车的结构，可以实现对整车灵活快捷的控制。除了力矩非常精确，易于控制和极高的响应速度外，四轮驱动使电动汽车与传统的集中驱动的电动汽车不同之处的是，它获得的控制自由度更大，拥有单轮层面的控制力矩，可以实现多种主动式的安全控制。包括ABS控制，车身稳定性控制等，以最大程度地提高汽车在驾驶过程中的稳定性。但若应用了不当的控制，汽车将容易失稳，甚至引发交通事故。新能源汽车有四大类型，其中包括燃料电池电动汽车,纯电动汽车'混合动力电动汽车、其他新能源汽车等。作为重要成员之一，纯电动汽车在能源的利用方面，采用的驱动方式为纯电力驱动，具有环保高效、噪声低的优点，以顺应未来全球新能源汽车发展的大趋势。与传统燃油驱动式汽车和集中驱动式电动汽车相比，分布驱动式电动汽车拥有极大的控制方面的优势，主要体现在以下几个方面：（一）具有紧凑的结构和优越的传动效率。许多动力传动机构，如差速器、传动轴'离合器'变速箱等，在分布驱动式电动汽车中不再出现。因此其拥有更加紧凑的动力结构，同时也大大降低了汽车的重量，向汽车轻量化的目标迈进在动力传递的过程中可以避免大量的机械损失，进而提高传动效率.（二）实现快速且准确的动力学控制轮毂集成了驱动电机，可控制直接作用于车轮的驱动力。克服了传统燃油汽车由于机械传动或变速箱'离合器等磨损造成的时间损失，也避免了集中驱动式电动汽车传动轴减速器的传动延迟，因而它的晌应速度和响应精度更好。每个车轮的运动状态都可由四个轮毂电机独立控制，通过合理分配四个车轮的力矩，对车辆进行快速又准确的运动控制。（三）易于获得行驶状态中的参数受传动效率的影响，传统汽车的四个车轮各自的受力无法被准确计算。而四轮驱动电动汽车的控制系统，轮毂电机的转矩易于控制且传递精确，可以实时查询施加在每个车轮上的转速与转矩，进而计算出四个车轮的动力学状态以及行驶状态参数等（四）可以实现驱动力自由分配在传统汽车中，只能在特定的比例范围内调整轴间动力分配量，因此驱动力分配余度较低。而在四轮驱动电动汽车中，同轴车轮以及前后轴车轮之间的扭矩分配为“无极”分配，可以根据控制目标的不同而对转矩分配实现动态的调节，不断优化驱动力之间的分配，实现更多的要求.针对汽车在行驶过程中由于驱动力过大或过小而产生的一系列问题，需要研究车身的稳定性控制策略，可防止汽车由于路面光滑而造成的失稳'失衡以及动力损失等现象,在安全的前提下保证车辆动力充足。这样的方式仍然存在许多需要改进的问题，控制自由度的增加会使电动汽车难以协调电动轮之间的控制.为了保证电动汽车可靠的运行，需要使用更加可靠的转矩控制系统，并进行精确的仿真实睡。而目前依然没有出现完善且通用的四轮驱动电动汽车的仿真模型，因此通过研究四轮驱动电动汽车的转矩控制系统与仿真，实现对四轮驱动电动汽车的扭矩协调优化分配与控制具有十分重要的工程实际意义。1.2 轮毂电机电动汽车国内外发展现状概述1.2.1 国外发展概况分布式四轮独立驱动系统在电动汽车应用方面的优势与潜力十分明显，因此国外有许多高校与企业在四轮驱动电动汽车的研究中投入了大量的科研成本。目前，在四轮驱动电动汽车技术的研究中，欧美国家和日本占据主导地位。上世纪90年代，日本便开始着手研究轮毂电机在汽车中的应用，并取得了很多显著的成效。美国的ProteanE1.ectric公司，作为世界著名的轮黄电机生产商之一，许多逆变器等电力电子器件都被集成到他们研发的轮毅电机中，如图1.1所示。他们公司的研发的轮黄电机同时实现了轮毂与外转子直接相连的结构，不再需要减速器，大大减小了体积和重量，转矩峰值达到了1250Nm.而功率峰值达到了80削，可以满足大多数汽车在动力性能方面的要求。图1.1Whee1.motordeve1.opedbyProteanE1.ectric东京大学的研究团队从21世纪初起，开展了有关四轮驱动电动汽车稳定性的多项研究，随后研发出轮毂电机电动汽车“UOTE1.ectricMarch'和"UOT臼ectricMarch2',目前，该团队正在研究电动汽车的四轮转向的稳定性控制。此外，韩国义阳大学，美国俄亥俄州立大学，东京农工大学等高校团队都在不断推进电动汽车中转矩分配策略的研究，努力向轮毅电机四轮驱动的时代迈进。1.2.2 国内发展概况和国外电动汽车技术水平的差距，让我国必须在轮毂电机电动汽车的研究中投入更多的成本，付出更多的心血努力。目前，政府与国家日益重视起电动汽车的发展，明确态度，鼓励和支持电动汽车领域相关技术的研发，并下达了一系列相关的文件，落实到各大高校与企业研发部门。从搭建实验平台开始，到电控技术的研究，到算法设计与开发，再到现在融入人工智能技术，攻克了许多技术上的难关，在这个过程中，国家的政策起到了很大的作用。大量的人力与物力财力被注入电动汽车的研发中，生活中可以看到许多公交车已经换成了纯电力驱动的客车，可见电动汽车的发展受益于国家的鼓励与政策的支持。电动汽车、电动公交车不仅更加轻便环保，而且少了燃油味道之后，乘客也获得了更好的乘坐体睑。与国外各高校与企业相比，我国较晚开启研究电动汽车领域的大门。但我国的研究进展极为迅速，主要以高校为主，其次是各大企业的研发部门。其中包括同济大学与上海燃料电池汽车动力系统公司，二者共同研发了“舂晖”系列车型。春晖三号动力系统采用混合驱动方式，即同时存在电机与发动机两种动力装置，使用永磁无刷直流轮霰电机驱动每个车轮。三1.2BYDTaigEV600在国内的车企中，比亚迪汽车公司最新研发并实现了一体化动力总成式电机减速器,并在2019年发布了全新一代智能电四驱唐EV系列车型，如图1.2所示。在而在国内的车企中，首先采用高压集成系统的公司为北汽新能源。此外，奇瑞、吉利、长城等国内汽车企业也在不断加快新能源四轮驱动汽车研究的脚步。但目前看来，大多数研究都处于样机阶段，未来的电动汽车行业依然具有广阔的探索空间。1.3 集中驱动式与分布驱动式电动汽车的对比目前市面上存在两种结构的电动汽车驱动系统，包括集中式驱动系统和分布式驱动系统。1.3.1 集中驱动式电动汽车在驱动结构上，集中驱动式电动汽车沿用了和传统燃油汽车极为相似的布置方式。除了内燃机被电机等部件代替外，其他机械传动结构均类似。转矩经电动机输出后，再经减速器后传入差速器，由差速器分配转速与转矩后输入左右车轮。由于研究开始的年代久远，集中式电动汽车的技术早已十分成熟，多年来汽车的上路实况也反映出其可靠性与安全性。但其缺点也显而易见，沿袭了传统内燃机汽车车体笨重的特点，相对来说效率提供不足。集中驱动式电动汽车的控制系统结构如图13所示：目前，在电动汽车领域的市场中，集中驱动式电动汽车凭借其成熟的技术水平和较高的完成度，成功进入市场。以北汽E150EV、日产1.eaf为代表。图1.3Centra1.izeddrivee1.ectricvehic1.e1.3. 2分布驱动式电动汽车而分布驱动式电动汽车包括两种类型，即轮边电机电动汽车和轮毂电机电动汽车。其中在副车架上安装驱动电机的为轮边电机电动汽车，车轮对应侧输出轴为其提供驱动力。而轮毂电机控制的电动汽车是在汽车轮毂中安装减速机构和电机，去淖了传动轴、变速箱等结构部件.总的来说，分布驱动式电动汽车具有轻量环保'车身结构紧;奏、行驶稳定性强等优点。分布驱动式电动汽车控制结构如图1.4所示：图1.4Centra1.izeddrivee1.ectricvehic1.e14四轮驱动电动汽车转矩分配的研究现状交通压力日益严峻，汽车的保有量依然每年都在增加，汽车销量在带来经济增长的同时也使得交通事故频发，交通事故对许多家庭带来沉痛的打击与伤害。这样的社会问题已不容忽视，因此汽车的安全性被放到了车辆研发过程中