轮毂电动汽车的动力性能研究VIP

1目 录中文摘要 .2英文摘要 .31 绪论 .41.1 研究意义 .41.2 国内外研究状况 .42 轮毂电动汽车的动力性 .62.1 轮毂电动汽车动力性的评价指标 .62.2 轮毂电动汽车受力分析 .62.3 轮毂电动汽车的最高车速 .72.4 轮毂电动汽车的加速能力 .72.5 轮毂电动汽车的上坡能力 .82.6 四轮驱动的轮毂电动汽车相关的直线行驶时的控制方式 .92.7 本章小结 .103 轮毂电动汽车的制动性 .103.1 制动性的评价指标 .103.2 制动时车轮的受力 .113.3 轮毂电动汽车的回馈制动的概述 .123.4 轮毂电动汽车回馈制动技术的研究内容 .133.5 回馈制动系统各个制动力变化特性 .143.6 回馈制动的控制逻辑与操作方式 .154 轮毂电动汽车的操纵稳定性 .184.1 汽车操纵稳定性的概述 .184.2 汽车转向时的受力分析 .184.3 汽车在前轮角阶跃输入下的稳态响应的类型 .204.4 四轮独立驱动的轮毂电动汽车转向时的转矩控制 .214.5 本章小结 .255 轮毂电动汽车的行驶平顺性 .265.1 轮毂电动汽车行驶平顺性的概述 .265.2 轮毂电动汽车的垂直振动特性研究 .275.3 本章小结 .296 结论与展望 .29谢辞 .31参考文献 .322轮毂电动汽车的动力性能研究摘 要： 轮毂电动汽车是一种新型的电动汽车，利用四个独立控制的轮毂电机驱动四个车轮，为提高汽车的动力性、稳定性、安全性提供了更大的技术潜力。本文主要结合轮毂电动机的特性，对轮毂电动汽车的动力性、制动性、操纵稳定性和行驶平顺性进行分析和研究，其中以汽车操纵稳定性中通过控制轮毂电机转矩来控制汽车转向运动的研究为重点。并类比传统的集中驱动汽车与轮毂电动汽车，结合轮毂电动机的特性，探究汽车的动力性能，针对轮毂电动汽车的特点，研究轮毂电动汽车通过控制轮毂电机转矩来控制汽车转向运动的可能性，并简要分析轮毂电动汽车与传统集中驱动汽车相比的优势。关键词： 电动汽车，轮毂电机，动力性，制动性，操纵稳定性，行驶平顺性。3Dynamic Analysis of Vehicles Driven by hub motorsAbstract： Vehicle driven by hub motors is a new kind of electric vehicle. Its four wheels which are controlled independently are driven by “in wheel” engines. This offers greater potential in order to improve the vehicles dynamic, stability and security character. The paper mainly researches electric vehicles 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 steering of the vehicle. At last, it analyses the advantages of vehicle driven by hub motor compare to traditional concentrated driven vehicle.Keywords: Electric vehicle, Hub motor, Dynamic character, Braking character, Handling stability, Ride comfort41 绪论1.1 研究意义随着经济的发展，私家车将大幅度增加，若只靠燃油汽车满足这一增长要求，是有的供给能力将日渐萎缩，直至完全失去。考虑到石油危机，对世界的发展是很严峻的考验。随着电动汽车的兴起，轮毂电机重新引起了人们的重视。目前国内已有多家企业高校和科研单位已经开始研究，但由于电池，电机性能和价格间的矛盾，控制策略的不完善，轮毂电动汽车的产业化还未成形。但从目前发展趋势以及各种驱动技术的特点来看，轮毂电动汽车将是电动汽车的最终驱动形式，也是现阶段电动汽车研究的热点和难点之一。轮毂电机驱动系统能够灵活的布置于各类电动汽车的前后轮，直接驱动轮毂旋转，与内燃机、单电机等传统集中驱动方式相比，其动力配置、传动结构、操控性能、能源利用等方面的技术优势和特点极为明显，主要表现为 1：（1）动力控制由硬连接改为软连接，能通过电子控制器，实现个轮毂从零到最大速度之间的无级变速和轮毂间的差速要求。省去了传统的机械换挡、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等装置，使的驱动系统和整车结构简约归一，可利用空间增大，传动效率提高（理论值为 10%） 。（2）整车布局和车身造型设计的自由度大大增加。以汽车为例，将底架的承载功能与传动功能分离后，桥架结构大为简化，更容易实现相同底盘不同车身造型的产品多样化和系列化，缩短新车开发周期，降低开发成本。（3）各轮毂扭矩独立可控，响应快捷，正反转灵活，瞬时动力性能更为优越，显著提高了适应恶劣路面条件的行驶能力。（4）容易实现轮毂的电气制动、机电复合制动和制动过程中的能量回馈，还能对整车能源的高效利用实施最优化控制与管理，有效节约能源。 11.2 国内外研究状况电动汽车最早于 1834 年问世，但因一次充电续驶里程不能满足要求而于 20 世5纪 30 年代退出历史舞台。20 世纪 70 年代，由于环境恶化和能源危机的出现，人们重新展开了对电动汽车的研究开发 7。作为比较先进的驱动技术，国外有很多研究所和公司都对轮毂电机进行了专项研究，并已经开始将其应用到实际产品中。位于美国加州的通用汽车高级技术研发中心成功地将自行研制的轮毂电机应用到雪弗兰 s-10 皮卡车中。该电机给车轮增加的重量只有约 15kg，却可产生约25kW 的功率，产生的扭矩比普通的雪弗兰 s-10 四缸皮卡车高出 60%，加速性能也有所提高。日本对轮毂电机研究起步早，技术在世界上处于领先。日本庆应义塾大学清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去 10 年中，研制的 IZA、ECO、KAZ 等电动汽车均采用轮毂电机驱动技术。其中后轮驱动电动汽车 ECO 采用的永磁无刷直流电机，额定功率 6.8 kW，峰值功率可达 20kW。日本的各大公司在 2003 年东京汽车展上纷纷推出自己的轮毂驱动产品，如：普利司通公司的动力阻尼型车轮内装式电机系统、丰田公司的燃料电池概念车 F INE-N 等等。我国的轮毂电机技术虽然起步较晚，但近几年随着国家“863”计划电动汽车重大课题研究的深入，各高校对该技术的研究也有所加强。同济大学汽车学院在2002 年和 2003 年独立研制的“春晖一号”和“春晖二号”就采用 4 个低速永磁无刷直流轮毂电机直接驱动系统。中国科学院北京三环通用电气公司开发出了电动汽车专用的 715 kW 轮毂电机。哈工大 -爱英斯电动汽车研究所开发的 EV96-I 型电动汽车采用了多态轮毂电机的轮毂驱动系统。该轮毂电机采用双边混合式磁路结构, 兼有同步电动机和异步电动机的双重特性。驱动轮额定功率 6.8kW, 最大功率15kW, 最大转矩 25Nm。 41.3 本文主要内容（1）轮毂电动汽车动力性的分析，包括最高车速，加速时间，爬坡能力等，讨论对轮毂电机的转矩要求。（2）轮毂电动汽车制动性的分析，主要包括对制动时轮胎受力分析，讨论制动时回馈电能的可能性。（3）轮毂电动汽车操纵稳定性的分析，主要包括轮毂电动汽车转向性能，以6及通过控制转矩来控制轮毂电动汽车转向的研究。（4）轮毂电动汽车行驶平顺性的研究，主要包括轮毂电机吸收行驶时承受的各种冲击振动的能力。2 轮毂电动汽车的动力性2.1 轮毂电动汽车动力性的评价指标汽车平均行驶速度是评价汽车动力性的总指标，从这一点出发，汽车的动力性主要有汽车的最高车速 、汽车的加速时间 t、汽车的最大爬坡度 三方面 的指标来评定 2。2.2 轮毂电动汽车受力分析将驱动力与各种行驶阻力表示为汽车的行驶方程式： =+其中， 为汽车的驱动力。 为滚动阻力， 为空气阻力， 为坡度阻力， 为加 速阻力。：由于轮毂电机有转矩较低的缺点，因此轮毂电动汽车一般采用四轮驱动，设电机转矩为 ，则表达式为 。0 =40：表达式为 =f 为汽车滚动阻力系数，G 为整车重力。：表达式为=221.5：表达式为 =：表达式为=7汽车行驶方程式说明了汽车的结构参数与使用参数的内在联系，概括了汽车直线行驶时，驱动力与行驶阻力之间的数量关系，是研究汽车动力性的基本依据。2.3 轮毂电动汽车的最高车速轮毂电机一般采用直流无刷电动机或永磁同步电动机，采用调频方式调速，因此转矩转速特性图如图 2.1 所示，转速较低时采用恒转矩调速，在达到额定功率点之后，采用恒功率调速。若轮毂电动汽车采用四轮驱动，则汽车的驱动力和形势阻力平衡图如图 22 所示，显然， 与 曲线的交点便是 。如下图 8。F + TnT m a xT 0n 0F tu4 R * T m a xF f + F wF fu s u m a x图 2.1 图 2.2从图中可知，当车速低于最高车速时，驱动力大于行驶阻力。这样汽车就可以利用剩余的驱动力加速或爬坡或牵引挂车。当汽车需要以低于最高车速的速度等速行驶，驾驶员可以适当松开加速踏板，此时电机只用部分负荷特性工作，相应的得到虚线所示驱动力曲线，它将和行驶阻力达到新的平衡。2.4 轮毂电动汽车的加速能力由于汽车的加速度数值不易测量，实际中常用加速时间来表明汽车的加速能力。譬如用行驶时由最低稳定速度加速到一定距离或 80%最高速度所需要的时间表明汽车的加速能力 2。8根据加速度图可以进一步求得由某一车速 加速至另一较高的车速 所需的时1 2间，由运动学可知：=1t=211=即加速时间可用图解积分法，将加速度与车速曲线，即 au 曲线转画成曲线。如图 2.3，曲线下两个速度区间的面积就是通过此速度区间的加速时间。由于转速较低时电机采用恒转矩调速， u 曲线应该是一条直线，之后电机采用近似恒功率1调速，转矩和转速的乘积应该为一个常数，因此应为一条斜线。如图 2.3。1 / auu 1 u 2图 2.32.5 轮毂电动汽车的上坡能力根据汽车行驶方程式与驱动力行驶阻力平衡图，可以确定汽车的爬坡能力。一般所谓汽车的爬坡能力是指汽车在良好路面上克服 后的余力全部用来克+服坡度阻力时能爬上的坡度，所以： =0=(+)式中， 应为 Gf，但是 的数值本来就比较小，且 cos 近似等于 1，故可以认为 9+=+221.15由上面的式子得：=sin1利用图 2.2 即求出轮毂电动汽车爬上的坡道角。可见，在低速行驶时爬坡能力较强，高速行驶时爬坡能力较小。汽车经常是以较高速度行驶的，如果此时的爬坡能力过小，迫使汽车减速，这样就影响了行驶的平均车速 6。2.6 四轮驱动的轮毂电动汽车相关的直线行驶时的控制方式四轮驱动的轮毂电动汽车在直线行驶时，其驱动力分配方式有两种，等转矩模式和等状态模式。等转矩模式，四个车轮的驱动力按照等转矩分配，即每个驱动电机的电流相同。可以把四个车轮看成四个独立的系统，并且理想化的认为四个车轮的轴荷完全一样，四个车轮受到的力是完全相同的。对于在平直路面上做直线匀速运动的低速车辆，在车轮状态路面状况一定的情况下，根据驱动力行驶阻力平衡条件，很容易得出四个车轮所需要的驱动力是完全一样的，即如图 2.4 中，四轮 X 方向的受力相同。这种控制方式不是很严格，忽略了行驶中各个车轮载荷的转移以及路面状况不尽相同等因素。 5LCXYBF x 1 F x 2F x 4F x 310图 2.4等状态模式，等状态模式根据各个车轮轴荷等比例分配驱动力。由于质心位置不在前后轴连线中心，以及行驶中各个车轮轴荷的变化，等比例分配四轮驱动力比较合理。等状态模式分为两种控制方式，一种是按照静载时前后轴荷分配的比值给出四轮电机固定的电流分配比例，另一种是按照动态的载荷分配比例给出相应的控制电流的分配比例。前者实质为驱动力的近等状态分配，控制方式简单，后者可以实现驱动力的等状态分配，即图 2.4 中各个轮 X 方向的受力相同，使四个车轮的滑动率差值达到最小。 5在起步工况下，等转矩和等状态模式下各个电机起步电流不同，主要由于摩擦阻力不同，控制器的模式不同。在等转矩和等状态两种模式下，电动汽车都能比较平稳的起步，但是从电机运行状况下看，等状态模式比等转矩模式更好。在匀速工况，四轮独立驱动的轮毂电动汽车直线匀速行驶时最好能长时间稳定在匀速状态，并且各个电机电流能处于相对恒定的水平，各轮滑移率较小，基本处于纯滚动状态，相互协调。匀速行驶的特点是顺势速度的大小和方向都保