轮毂电动汽车的动力性能研究.doc

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32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。Dynamic 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 comfort 1 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uamax、汽车的加速时间t、汽车的最大爬坡度imax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：Ft=Ff+Fw+Fi+Fj其中，Ft为汽车的驱动力。Ff为滚动阻力，Fw为空气阻力，Fi为坡度阻力，Fj为加速阻力。Ft：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T0，则表达式为Ft=4T0 。 Ff：表达式为Ff=fGcosf为汽车滚动阻力系数，G为整车重力。 Fw：表达式为Fw=CDAua221.5 Fi：表达式为Fi=Gsin Fj：表达式为Fj=mdudt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，Ft与Ff+Fw曲线的交点便是umax。如下图8。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。根据加速度图可以进一步求得由某一车速u1加速至另一较高的车速u2所需的时间，由运动学可知：dt=1adut=u1u21adu=A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，1au曲线应该是一条直线，之后电机采用近似恒功率调速，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。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Ff+Fw后的余力全部用来克服坡度阻力时能爬上的坡度，所以：dudt=0Fi=Ft-Ff+Fw式中，Ff应为Gf，但是Ff的数值本来就比较小，且cos近似等于1，故可以认为Ff+Fw=Gf+CDAus221.15由上面的式子得：=sin-1Ft-FwG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。5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持不变，加速度为零，是一种理想化的运动。匀速工况下，要分两个方向比较，即速度和控制方式。在同一种控制方式下，告诉的电流并不比低速时电流高多少，但是稳定性不如低速，滑移率基本一样；在同一速度下，等转矩模式的电流与等状态模式的电流相当，滑移率也基本相同，因此，对匀速工况来说，采用哪种控制模式并不能充分显示其优越性，等转矩或是等状态对于匀速工况的影响并不明显。52.7 本章小结 本章对轮毂电动汽车的动力性进行了研究，分析了轮毂电动汽车的最高速度，加速时间，爬坡能力。还简单介绍了直线行驶的两种直线运动时的控制方式，即等转矩控制和等状态控制，并简要比较两种控制方式对车辆运行方式的影响。3 轮毂电动汽车的制动性3.1 制动性的评价指标汽车的制动性主要由三个方面的指标来评价，制动效能，制动效能的恒定性，制动时汽车行驶的方向稳定性2。制动效能，制动效能包括汽车的制动距离，制动减速度和制动力。它是指汽车在良好路面上以一定初速度制动到停车所驶过的距离，制动时汽车的减速度或制动力的大小，是制动的最基本得评价标准2。制动效能的恒定性，制动效能的很定性主要是指汽车制动器的抗衰退性能，它包括抗热衰退性能和抗水衰退性能2。制动时汽车行驶的方向稳定性，制动时汽车行驶的方向稳定性是指制动时汽车按给定路径行驶的能力。若制动时发生跑偏，侧滑，或者失去转向能力，则汽车将偏离原来的路径2。3.2 制动时车轮的受力汽车只有在受到与行驶方向相反的外力作用下才能减速以至停车，由汽车的受力状况分析可知，这个外力只能由地面和空气提供。但由于制动过程中车速较低，空气阻力相对较小，所以实际上制动时的外力主要是由地面提供的。地面提供的这种使汽车减速直至停车的力成为地面制动力。地面制动力越大，制动减速度越大，制动距离也越短，所以地面制动力对汽车制动性具有决定性影响。而地面制动力的大小，主要由制动过程中汽车制动器产生的摩擦力矩的大小决定。下面分析车轮在制动时的受力状况2。图3.1图3.1所示为良好的硬路面上制动时车轮的受力情况。图中滚动阻力偶矩和减速时的惯性力，惯性力偶矩均忽略不计。Tu为车轮的制动力矩，Tp为车轴对车轮的推力，Fxb是地面制动力，Fz为地面对车轮的法向作用力。显然，从力矩平衡得到Fxb=Tur在传统概念的燃油汽车中，制动一般是采用摩擦片与制动鼓或制动盘的摩擦力作为车轮的制动力，在制动时是将汽车的惯性能量通过制动器的摩擦转化成热能散发到周围环境中去。对于轮毂电动汽车而言，由于电机具有可逆性，即电动机在特定的条件下可以转变成发电机运行，因此可以在制动时采用回馈制动的办法，使电机运行在发电状态，通过设计好的电力装置将制动产生的回馈电流充入储能装置中，这样就可以回收一部分可观的惯性能量，提高电动汽车的续驶里程。因此，轮毂电动汽车的制动力不仅可以用摩擦片的摩擦力提供，而且可以由电机回馈制动过程中产生的反向力矩来提供。由受力分析可知，对于轮毂电动汽车的制动性能，和传统汽车差别并不明显，主要区别在于可以由电机独立提供制动力，因此在制动性方面这里只做简要介绍，之后主要研究有关轮毂电动汽车回馈制动的问题。3.3 轮毂电动汽车的回馈制动的概述回馈制动，又称再生制动，其原理是在制动时将汽车行驶的惯性能量通过轮毂电机以发电方式工作，为动力电池充电，实现制动能量的再生利用，这样就可以回收一部分可观的惯性能量，提高电动车的续航能力。与此同时，产生的电机制动力矩又可以对车轮施加制动，产生制动力。根据制动的目的不同，电动汽车制动可分为减速制动，限速制动和紧急制动。减速制动和限速制动状态下，车轮和电机仍然处于旋转状态，但电磁转矩与转向相反。紧急制动则是立即阻止车轮旋转。紧急制动需要很大的制动转矩，这种情况下若采用电制动，会产生很大的反馈电流，电池难以吸收，而且在安全性方面达不到要求（例如需要紧急制动时，若使用电气制动，突然断路的话会发生危险）。因此在紧急制动时通常利用摩擦阻力以机械方式实现，系统的动能转化为摩擦热能，是一种能量消耗的过程。而减速制动和限速制动则可以采用电气制动的方式实现10。电动汽车的电气制动方式常见的有能耗制动，反接制动和回馈制动。其中能耗制动和反接制动均需要在电枢回路中串联耗能电阻，且制动的能量也是以热能的形式散失，得不到回收利用。回馈制动可以将能量反馈到电源而不是消耗掉，这种方式可以延长电动车在但电池条件下的续航里程，同时回馈制动与其他电气制动方式比较，它无需改变系统的硬件结构，可以对回馈电流进行控制，使制动效果与能量回收效果达到综合最佳10。因此，回馈制动方式最适合电动汽车，对于回馈制动系统是由常规的摩擦制动系统与电制动系统复合而成的电动汽车，该技术存在这一下三个问题9：（1）制动的稳定性问题。由于电制动力矩随着车速的变化变化较大，它的制动过程与传统燃油汽车只具有摩擦制动的制动系统的制动过程有所不同，对于后轮驱动型汽车，由于电制动力矩是加在后轮上的，当制动力矩控制不得当导致过大时，会使后轮提前抱死，从而使汽车出现后轮侧滑丧失稳定性；对于前轮驱动型汽车，电制动力矩位于前轮上，制动力矩控制不得当会使前轮过早于后轮抱死，不但使前轮丧失转向能力，还会使附着利用率降低。（2）制动能回收的充分性问题。即在保证电动汽车制动稳定性的前提下，尽可能多的回收制动能。电动汽车的充电能力受动力电池，电机工作特性，充电的快慢等因素影响。由于再生制动时常存在过充电及急速充电等问题，使得电机和蓄电池工作条件变得复杂，因此提高短时间内充电系统的充电效率是保证制动能回收充分性的关键。（3）制动过程的平顺性。电动汽车制动时，电制动力矩作为辅助制动力矩将影响制动踏板与驾驶平顺性。需要对电制动力矩的大小进行优化控制以使电动汽车的制动与常规汽车制动系统的制动感觉一样。3.4 轮毂电动汽车回馈制动技术的研究内容目前，关于轮毂电动汽车回馈制动技术的报道并不多，在参考了相关文献之后，初步总结出9，其主要内容集中在以下几个方面：（1）在回收制动能的必要性方面：以城市典型工况为例，通过对比传统车与轮毂电动汽车的能源经济性，分析电动汽车回馈制动对整车动力性，能源经济性影响，得出电动汽车在城市典型工况下经济性显著提高，进一步研究表明在正常城市工况下所需制动功率不会超出回馈制动的制动能力。（2）在回收制动能的效率方面：由于短时间内充电系统的充电效率是保证制动能回收充分性的关键。不同能量贮存器在短时间的充电能力有较大差别，研究表明以超级电容器为辅，蓄电池为主的贮存系统接受回馈制动能的能力是目前情况下最好的车载能量贮存器。对于电动汽车驱动电机来说，恒功率工作区域越宽，电机工作效率越高。目前比较适合作为电动汽车的驱动电机有交流感应电机，永磁无刷直流电机，开关磁阻电机。（3）在驱动电机与功率转换器的控制技术方面：采用永磁无刷直流电机与逆变器方案作为电动汽车驱动系统可实现电机的四象限运行，且电气制动时逆变器的主回路结构及控制电路不需要作任何变动。（4）在控制策略方面：对于由常规制动系统与回馈制动系统组成的机电负荷制动系统来说，当制动强度较小时，采用纯电气制动；当制动强度较大时，采用机电复合制动；当制动强度太大时，只采用摩擦制动。在该策略中，摩擦制动系统在结构与控制方式与传统燃油车相同，仅需要一个电机控制器控制电机产生的电气制动力，故结构简单，成本较低。3.5 回馈制动系统各个制动力变化特性 在整个制动过程中，存在着两种制动力：电制动力、摩擦制动力。这两种制动力随车速的变化特性如图3.2所示（图中V0为制动初速度）。正常情况下，制动之初驾驶员松开加速踏板，车辆滑行。此时电机工作在恒功率制动区。由于这时是弱制动强度的制动，相当于传统燃油汽车的发动机制动，故采用纯电制动往往可以满足制动要求。而后随着驾驶员发出制动踏板指令，要提高制动强度，这时由于车速仍然较高，电机恒功率制动模式下，纯电制动满足不了制动请求，需要摩擦制动力参与制动。随着制动的进行，车速下降，电制动力逐渐增大，当车速下降到电机恒转矩区时，电制动力达到最大，在这个过程中，对摩擦制动力的请求相应降低。当车辆快要停止时，电制动力迅速降为零，此时对摩擦制动力的请求骤然增加。9 图3.23.6 回馈制动的控制逻辑与操作方式要实现回馈控制的工作要求，需要一个具有高智能化的控制模块，可以参考如下图3.3所示的控制逻辑9。图3.3当车辆减速时，一方面电机控制模块采集电池SOC、车速等信号，根据电机扭矩特性图查表确定电气制动力大小，另一方面，整车控制模块采集制动踏板位置信号及其他相关信号，根据前、后轮理想控制动力分配原则或其他形式的制动力分配原则确定驱动轮上应具有的制动力。然后比较电制动力与驱动轮上请求制动力的大小，如果电气制动力大，则通过电机控制模块修正电气制动力，使电气制动力等于驱动轴上的请求制动力，以满足车辆制动稳定性及制动时的附着利用率要求；如果电制动力等于驱动轴上请求制动力，则无需通过电机控制模块修正电制动力。如果电制动力小于驱动轴上请求制动力，则不足部分通过整车控制模块控制摩擦力控制模块补足所需摩擦力，这样驱动轴上的制动力为电制动力与摩擦力之和。在上述控制过程，从动轴上的摩擦力应等于在整车控制模块中确定的从动轴制动力请求。回馈制动存在以下三种典型操作形式9： （1）回馈制动操纵机构与制动踏板一体化。根据制动踏板被踩下加速度的不同，可分为两类不同的制动请求。第一类为正常制动操作方式。其制动踏板的行程可分为二个阶段。第一段为纯电制动阶段。随制动踏板行程的增加，解释为电制动逐渐增强。第二段为机电复合制动阶段。随制动踏板的下行，解释为电制动从逐渐增强到恒定不变，而摩擦制动逐渐加强。第二类为紧急制动操作方式。此时制动踏板被急速踩下，摩擦制动力急剧增加，电制动不起作用，防止因瞬时充电功率过大而对蓄电池等电路器件造成损坏。该操纵方式适合于起动、制动频繁，的城市工况下使用的车辆，如城市公交车。（2）设置回馈制动档操纵方式。当司机挂入该档位时，则启动回馈制动，反之，退出回馈制动。在该方式下，该车摩擦制动操纵方式不变，其制动效果独立。该操纵方式适合于下长坡缓制动工况。（3）电制动操纵机构与加速踏板复合操纵方式。该方式下，油门踏板行程分为三个阶段。第一段为电制动阶段，随踏板下行，电制动逐渐减弱，也即松开踏板时，电制动最强。第二段为空行程，踏板位于此段内，既不制动也不加速。第三段为驱动行程段，随踏板下行，电驱动力矩增强。此操纵方式可使得传统机械制动踏板保持不变，在较简单的控制模式下达到较好的回馈制动效果。该方式适合滑行工况较多的城工况下使用。以上三种方式根据具体要求可联合使用，以达到操纵方便，尽可能会受制动能量的目的。3.7 本章小结本章简单介绍了轮毂电动汽车制动时车轮受力，分析了轮毂电动汽车与传统集中驱动汽车制动的区别，重点介绍了通过轮毂电机实现的回馈制动（又称再生制动）的原理和控制的设想，以此来提高轮毂电动汽车的性能以及能源经济性。理论上这种回馈制动完全可行，有待于进一步应用于实践的设计当中。4 轮毂电动汽车的操纵稳定性4.1 汽车操纵稳定性的概述汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰保持稳定行驶的能力。汽车的操纵稳定性包括了两个相互关联的部分，即操纵性和稳定性。操纵性是指汽车能够确切的相应驾驶员指令的能力。稳定性是指汽车抵抗改变其行驶方向的各种外界干扰（路面扰动或风扰动），并保持稳定行驶而不失去控制，甚至翻车或侧滑的能力。汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，也是影响汽车安全性的重要因素之一2。汽车操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，也是影响汽车安全性的重要因素之一。由于受研究目的、驾驶任务、认为感觉及环境条件等多种因素影响，使得对汽车操纵稳定性的研究和评价变得更为复杂。汽车操纵稳定性的评价方法很多，但是迄今为止并没有找到公认的客观定量评操纵稳定性的最佳方法。具体有两种方法，主观评价法和客观评价法。主观评价法是指让实验评价人员根据试验时自己的感觉进行评价，客观评价法是指通过测试仪器测出能够表征汽车稳定性能的参数，如横摆加速度、侧向加速度以及侧倾角等来评价操纵稳定性的方法。在研究汽车的固有特性的开路系统中应用的是客观评价法，而在采用闭环系统研究汽车的操纵稳定性时，通常同时采用客观评价与主观评价两种方法2。4.2汽车转向时的受力分析 如图4.1为汽车的运动及其坐标示意图。图中Oxyz坐标系固定在地面上，成为惯性坐标系或者大地坐标系。Oxyz坐标系固定在车身上，原点为汽车的质心位置。x轴为车身纵向水平轴，方向向前，y轴水平向左，z轴垂直于由x、y轴构成的平面，方向向上。x、y、z轴构成一个右手直角坐标系，成为车辆坐标系。图4.1如果将汽车作为一个整体来研究，其在三维空间中的运动主要包括：沿x方向的平动纵向运动；沿y向的平动侧向运动；沿z向的平动上下运动；绕x轴的转动侧倾运动；绕y轴的转动俯仰运动；绕z轴的转动横摆运动。其中沿x方向的平动、沿z方向的平动以及绕y轴的转动与转向操纵没有直接关系，而其他的运动是由转向操纵直接引起的。因此，也就是汽车操纵稳定性研究的主要内容。图4.2上图4.2所示，是线性二自由度汽车模型的受力分析图，图中，为汽车的前轮转角，1，2为汽车前后轮上的侧偏角（车轮的旋转平面与车轮行驶速度方向之间的夹角）。汽车前后轴中点的速度分别为u1和u2，汽车质心的速度为v，汽车绕质心作角速度为r的转动。由运动学推导，可得到汽车在二自由度运动时的运动微分方程为：k1+k2+1uak1-bk2r-k1=m（v+ur）ak1-bk2+1ua2k1+b2k2r-ak1=IZr稳态响应过程中，汽车以一定的前轮转角和一定的速度沿一定的半径等速圆周运动。此时，v=0，r=0。经过整理得：rs=uL1+Ku2该试左边成为稳态横摆角速度增益，也称为转向灵敏度，式中K称为稳定性因数，表达式为：K=mL2ak2-bk1从K的表达式可以看到，K仅与汽车的质量、汽车的质心位置以及前后轮的侧偏刚度等有关，它是汽车本身具有的一个特性。但是世纪汽车的稳定性因数K值受很多因素的影响，不能简单的利用上面的表达式计算求得，通常在计算K值时非常复杂，因此应用试验的方法较为普遍。4.3 汽车在前轮角阶跃输入下的稳态响应的类型稳定性因数K是表征汽车稳态响应的一个重要参数。随着汽车行驶速度的变化，汽车的稳态响应可以按照稳定性因数K的数值分为中性转向，不足转向和过度转向三类2：中性转向：当稳定性因数K=0时，横摆角速度增益与车速成正比关系，斜率为1/L。这种响应称为中性转向。同时也可以利用转向半径来判断。从上面的公式中可以看出，当K=0时，汽车的转向半径R与汽车的行驶速度无关，无论形式速度怎么改变，只要前轮的转向角保持不变，汽车的转向半径总是保持一定的值L/。不足转向：当稳定性因数K0时，横摆角速度增益比中性转向时小，横摆角速度增益与速度的曲线是低于中性转向的汽车稳态增益曲线，且随着汽车行驶速度的增加，曲线呈现向下的趋势。具有这样特性的汽车称为不足转向汽车。随着稳定性因数的增大，横摆加速度增益曲线越低，不足转向越大。当稳定性因数K0时，汽车的转向半径增大，且随着车速的平方增大。R=（1+Ku2）L在不足转向特性下横摆加速度增益有一个最大值，即特征车速uch。对行驶车速与稳态横摆角速度增益取极值可以得到特征车速为uch=1K。过多转向：当稳定性因数K0时，横摆角速度增益比中性转向时大，横摆角速度增益与速度的曲线是高于中性转向的汽车稳态增益曲线，且随着汽车行驶速度的增加，曲线呈现向上的趋势。具有这种特性的汽车称为过多转向汽车。显然，利用横摆角速度与行驶车速的关系可以得到在过度转向特性下汽车的临界车速ucr即当汽车行驶速度为ucr=-1K时，稳态横摆角速度增益趋于无穷大。同理，它是表征过渡转向量得一个参数，随着临界车速的降低，汽车的过多转向越大。过多转向的汽车当行驶车速达到临界车速时将失去稳定性。因为在临界车速附近是，横摆角速度增益趋于无穷大，因此只要及其微小的前轮转角便会产生极大的横摆角速度。意味着汽车的转向半径极小，汽车发生激转导致侧滑或者翻车事故。一般来说，由于过多转向的汽车容易失去稳定性，故汽车都应该具有适度的不足转向特性。4.4 四轮独立驱动的轮毂电动汽车转向时的转矩控制 为了保证车辆在转弯以及在不平路面行驶时内外轮转速的协调分配，在传统汽车上，内燃机所产生的驱动力矩传递到各驱动轮，之间经过了动力传动机构以及机械差速装置，机械差速机构保证了对应两个内外轮间轮速的协调分配，同时也产生了一个问题，那就是机械差速器对驱动轮转矩的分配属于平均方式，在左右轮路况一致的情况下不会产生较大问题，但当路况恶劣的时候，由于车轮出现打滑就会进一步破坏轮速的协调。针对这一问题，随着传统汽车主动安全技术的发展，许多基于复杂机械结构的装置相继推出，其中包括超级全轮驱动、限滑差速器等转矩分配装置。11由于四轮独立驱动的轮毂电动车每个车轮的驱动转矩独立可控，转矩分配的自由度增加。在理论上可依据不同的工况直接控制各轮的输出转矩，既可以避免车辆因转矩过大而对地滑转，又可以根据需求提供足够的驱动力。省略各驱动轮之间的机械连接，使驱动轮的运动自由度得以较多提升，虽然电动轮驱动系统带来诸如电子差速、驱动转矩协调等技术难题，但同时也给电动轮高集成控制带来了新的空间。因此，四轮独立驱动车辆在操纵性和稳定性方面较传统集中驱动方式具有显著的优势。 如前面所述，不管在直线行驶还是转弯时，传统汽车的差速器具有平均分配两侧车轮转矩的特性。在直线行驶时平均分配两侧车轮的转矩一般情况下是合理的，但转弯时也平均分配转矩似乎有点问题。实际汽车在转弯时有时会出现各种各样的问题。比如，当车速比较高时转弯半径过大，解决这个问题的方法一是在转弯前降低转速，二是增大外侧车轮的驱动转矩，同时减少内侧车轮的驱动转矩甚至对内侧车轮进行制动。其中第二个方法对集中驱动的传统汽车是无法做到的，但是轮毂电动汽车可以做到。具体的做法是：汽车直线行驶时对两侧车轮平均分配转矩，当控制系统检测到驾车人有转弯的意图时（方向盘出现较大偏转角），则对两侧车轮的转矩有差别地进行分配，转矩差额的相对大小与方向盘转角的大小和当时的车速有关。具体的分配比例在保证不发生车轮侧滑的情况下可以通过实验确定。总的原则是：方向盘转角越大，车速越高，则两侧车轮的相对转矩差额越大。通过这样的设计和实验，可以使汽车转弯更加平稳、灵活，甚至可以做到原地转弯，这对于在复杂地形下使用的工程车、越野车等无疑是很有意义的。以提高车辆操纵性和稳定性为目的的转矩协调控制，通过车辆当前横摆角速度的反馈，以及由方向盘信号、当前车速所得到的理想横摆角速度，帮助驾驶员纠正路径偏差，甚至在车辆失控情况下实行系统主动控制，全面提高车辆的转弯性能以及加速性能，保障车辆的稳定性，这就是直接横摆力矩控制的特点，针对电动轮驱动电动汽车各轮独立可控的特点，独立改变车辆内外侧的驱动力达到汽车稳定行驶，在以主动安全为目标的转矩协调控制中该方法更是得到充分的应用。该系统中主控制器通过转向二自由度模型以及汽车状态参数，计算出期望的横摆角速度，并以此为基础对当前控制方式进行决策，而其余的模糊控制器及转矩闭环控制器，则分别控制由于横摆控制器产生的相应轮子的转矩输出，使轮胎力达到饱和的转矩，防止驱动轮滑移。12转矩协调控制时对车辆影响的受力分析图如下图4.3图4.3假设具有两个自由度的车辆模型，其动力学方程可以描述为：Fy1cos+Fy2=mayaFy1cos+B2Fy1sin-bFy2=IZ式中，Fy1、Fy2分别为前、后轮的侧偏力；m为汽车的质量；ay为汽车质心侧向加速度；IZ为汽车质心的转动惯量；为汽车的横摆角加速度。由上述两式可以看出，Fy1、Fy2之和等于may，但二者数值大小的分配的原则取决于IZ的大小。稳态转向条件下，通过转矩协调策略，增加一个横摆力矩，增大后外轮作用力Fx21，减小后内轮作用力Fx22，再假设车辆是以恒定角速度转弯，IZ=0，则车辆力矩平衡方程为：aFy1cos+B2Fy1sin+B2（Fx21-Fx22）-bFy2=0显然，此时Fy1减小，Fy2增大，相应的前轮侧偏角减小，后轮侧偏角增大，则汽车的不足转向量减小，前轮达到轮胎附着极限的车速提高，改变了车辆的稳态转向特性。当车辆在接近极限工况时，随着Fy1的减小，还可以给前轮创造一个提供更大驱动力Fx的空间，是的汽车有更好的动力性。如图4.4所示，由于载荷转移的影响，前内轮首先达到附着极限，这是由于前内轮侧向力减小，则纵向力增大的空间变大。12图4.4在传统车辆中，通过方向盘转角的变化来改变车辆的方向。发动机的驱动转矩在左、右轮的分配相等，纵向力仅仅作为驱动力矩。转矩协调分配系统利用驱动转矩产生控制横摆力矩，可以提高车辆转弯加速的不足转向的极限，并且车辆的操纵性得到极大提高。12图4.5车辆在转向行驶工况下，由于垂直载荷的影响，内、外驱动轮的摩擦圆如图4.5所示。在驱动力达到极限时，内侧驱动车轮的转向力为零，仅外侧车轮提供转向力。在独立驱动系统中，转矩协调系统可以减小内侧内轮转矩、增大外轮驱动转矩。驱动力比例的范围和内外轮的转向力的变化趋势。在与传统车辆相同的总的纵向力情况下，转矩协调系统可以选择最优的转矩分配比例，使得转向力最大，保证车辆在转弯时具有更好的弯道动力性能，提高车辆的稳定性。12从以上分析可知，在车辆的左、右轮施加不同的驱动力矩可以直接控制车辆的横摆， 进而改变车辆的纵向与侧向动力学特性，提高车辆的操纵性和稳定性。车辆的横摆方程为：IZ=aFy1cos+B2Fy1sin-bFy2+Mz式中：为由各州上的驱动力产生的横摆力矩Mz=B2Fx2-Fx1cos+Fx4-Fx3可以将Mz定义为稳定性横摆力矩，Fx1、Fx2、Fx3、Fx4分别为四个轮子的驱动力。Mz的变化一方面是由于制动力或驱动力变化带来轮胎特性的变化产生，另一方面是由于加速或者减速带来的轮胎载荷的转移而产生。为了保证车辆的稳定行驶，采用协调各个轮子的驱动力矩的方法使车辆的横摆角速度尽量保持理想横摆角速度。理想的横摆角速度是由线性二自由度模型产生的。理想的横摆角速度可以由下面的公式来确定：r=11+Ku2uL04.5 本章小结本章主要研究了轮毂电动汽车的操纵稳定性，采用汽车二自由度模型，对轮毂电动汽车转弯时的受力进行分析，重点着眼于四轮驱动的轮毂电动机转弯时的转矩协调控制，通过控制左右驱动轮的驱动力，提高轮毂电动汽车的转弯性能。5 轮毂电动汽车的行驶平顺性5.1 轮毂电动汽车行驶平顺性的概述轮毂电动汽车汽车行驶时，由于干扰力的作用而产生振动。引起振动的振源主要有两个：一个是由地面不平引起的随即干扰力。这种干扰力的变化规律除了与地面的几何形状有关外，还与行驶速度、车轮直径、轮胎的弹性等有关。另一个是由轮毂电动机力矩不均匀造成的干扰力矩。2轮毂电动汽车的行驶平顺性，是指汽车能吸收行驶时所产生的各种冲击和振动的能力，保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内。它是评价汽车使用性能的意向重要指标。汽车的行驶平顺性可以由图5.1所示的“路面汽车人”系统的框图来分析2：图5.1振动系统由轮胎、悬架、座椅等弹性、阻尼元件和悬挂、非悬挂质量构成。路面不平和车速形成了对汽车振动系统的输入，振动系统的输入经过振动系统的传递，得到系统的输出悬挂质量或进一步经座椅传至人体的加速度。此加速度通过人体对振动的反应舒适性程度来评价汽车的平顺。2对于振动，轮毂电动汽车虽然四轮驱动简化了传动系统的结构，减轻了整车质量，而且提高了传动效率，实现复杂的底盘控制，但是，由于轮毂电机直接与车轮相连，增加了非悬挂载质量，将会引起电动汽车垂向振动幅度加大，影响轮胎接地特性,不利于车辆的动力学控制与行驶平顺性,这也是目前轮毂电机独立驱动电动汽车没有被接受的原因之一。因此要在传统集中驱动电动汽车的基础上，为轮毂电机的电动轮提出新的减振布置形式与相应的动力减振机构。来减小轮毂电动汽车行驶过程中的垂直振动，提高汽车的行驶平顺性。25.2 轮毂电动汽车的垂直振动特性研究轮毂电机驱动电动汽车与传统集中驱动电动汽车相比，改变了非悬挂质量与悬挂质量的比值，其质量参数的变化由表1所示的四分之一车辆模型参数可知。轮毂电机与车轮直接相连，增加了非悬挂质量，减小了悬挂质量，势必对汽车的垂向动力学产生影响。垂向动力学可以从两个方面进行评价13：（1） 轮胎接地力的波动量。（2） 悬挂质量的垂向振动加速度。 此处从振动的角度，采用四分之一车辆模型对轮毂电动汽车系统进行了分析，寻求减小振动的方法。车辆参数集中电机驱动电动汽车轮毂电机驱动电动汽车带有减振机构的轮毂电机驱动电动汽车非悬挂质量m1（kg）355542.5悬挂质量m2（kg）265245245动力减振机构m3（kg）-12.5轮胎刚度k1（N/m）300000300000300000悬架刚度k2（N/m）240002400024000动力减振机构刚度k3（N/m）-20000动力减振机构刚度k4（N/m）-20000轮胎阻尼C1（N/（m/s）505050悬架阻尼C2（N/（m/s）120012001200动力减振机构阻尼C3（N/（m/s）-1000动力减振机构阻尼C4（N/（m/s）-1000表1整车垂向振动分析采用四分之一车辆模型，简化四分之一车辆模型，简化为双质量振动系统，如图5.2所示。模拟电动汽车在B级路面行驶过程中的垂向振动。传统的集中电机驱动电动汽车的悬挂质量包含集中电机的质量，而轮毂电机驱动电动汽车的电机质量则由悬挂质量移至非悬挂质量，悬挂质量与非悬挂质量的比值变化导致了车辆垂向振动特性的改变。图5.2对此模型进行微分方程计算和推导，可以得出汽车行驶平顺性常用悬挂质量与非悬挂质量的比值来评价，即m1/m2的值越大,其行驶平顺性往往越好，由于计算过程较为复杂，此处只引用其结论。轮毂电机驱动电动汽车中，由于悬挂质量减小，非悬挂质量增加，从而影响了整车的行驶平顺性。按照这一思路，可以通过机构设计调整质量分布，提高悬挂质量与非悬挂质量的比值来提高平顺性。 13 由于轮毂电机驱动电动汽车采用的是低速外转子盘式电机，通常情况下，电机转子与车轮直接相连，而定子固定在轮轴上，这样整个电机质量均属于非悬挂质量。考虑到电机的定子固定于轮轴上，并不与车轮一起转动，可以将定子做成中空，来减小非悬挂质量，其结构示意图如下图5.3所示。还可通过改变轮毂结构来减小车轮整体的质量，这就对车轮材料以及轮胎结构提出新的要求。图5.35.3 本章小结本章对轮毂电动汽车的行驶平顺性进行了简单的分析，针对轮毂电动机的特点，分析了电动轮垂向特性，提出了理论可行的设计方案，由于本章并不作为重点，且本人对平顺性研究的局限性，没有进行深入的计算和研究，只做简要的分析和简单的理论研究。6 结论与展望本文结合传统汽车的动力性，制动性，操纵稳定性，行驶平顺性，来分析研究了轮毂电动汽车动力性能。得到的结论如下： （1）通过轮毂电动汽车动力性的研究，分析了轮毂电动汽车与传统集中驱动汽车在直线运动时最高速度，加速时间，爬坡能力等性能的区别与联系，提出轮毂电动机在动力性方面完全可以达到甚至超越传统集中驱动汽车的水平。在控制方式上，四轮驱动轮毂电动汽车有等转矩控制模式和等状态控制模式两种控制模式，相比较来说，等状态模式更优。（2）通过对轮毂电动汽车制动性的研究，分析了制动时的轮胎受力。通过理论上分析得出轮毂电机回馈制动是理论可行的，利用回馈制动和传统的摩擦制动相结合可以在很大程度上提高轮毂电动汽车的制动性能，并且可以回收部分制动能量，提高电动汽车的续航能力。并给出了适合回馈制动和摩擦制动相结合的控制框图。（3）通过对轮毂电动汽车操纵稳定性的研究，分析了轮毂电动汽车转弯时的受力，给出了二自由度的受力模型及其受力分析，论述了通过转矩协调控制可以减小前轮的侧向力，减缓达到前轮摩擦极限的力矩，防止驱动轮滑移，提高了轮毂电动汽车的操纵稳定性，虽然控制较为复杂，但是性能上较传统的集中驱动型汽车有很大的优势。（4）通过对轮毂电动汽车行驶平顺性的研究，提出了轮毂电动汽车在减振方面存在的问题，提出了简单的设计方案。在能源和环境问题不断凸显，电动交通工具的研发已成为各国重点研究项目。轮毂电机驱动系统是一种全新的驱动型式，但因其所具有的明显优势，已成为电动交通工具发展的一个重要方向。目前，轮毂电机已在电动自行车的应用上取得巨大成功。可以预见，随着研发的不断深入，电动机性能的不断提高，以及电池技术、动力控制系统和整车能源管理系统等相关技术的突破，轮毂电机也将在电动汽车上取得更大的成功。谢辞在论文结束之际，谨向我的导师陈老师致以崇高的敬意和忠心的感谢。在我毕业设计期间，导师对我的学习及课题进行了精心的指导和谆谆的教诲，从毕业设计课题的开始到论文的终稿，其中无不凝结着导师的心血和汗水。导师严肃的科学精神和以身作则的工作态度使我倍受感染和激励。同时，导师高尚的思想品德和厚德求实的人生态度教会了我很多做学问甚至是做人的道理，使我终身受益。感谢一起奋斗的xxx等同学，在课题和论文方面给予我的大力帮助。感谢学院所有的领导和老师四年来对我的栽培和指导。感谢xxx班的全体同学们，很荣幸能和你们共度这今生难忘的四年大学时光。参考文献1 辜承林. 轮毂电机发展思考J. 电机技术，2006年第三期：P1-5.2 张文春. 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机械科学与技术，2008年3月，第27卷，第3期：P395-404.54大学毕业论文规范一、结构要求一份完整的本科生毕业论文档案袋内应包含两个部分内容：1、毕业论文装订册；2、毕业论文附件材料。二、版面要求A4纸张，其中：页边距上3cm，下、左2.5cm，右2cm；页脚1.75cm；每册的封面与封底需用白色的铜版纸张(规格120g-150g)印制。三、毕业论文装订册组成部分与要求（一）封面。论文题目不得超过20个字，要简练、准确，可分为两行。（二）内容。1、毕业论文任务书。任务书由指导教师填写，经系部审查签字后生效。2、毕业论文开题报告；3、毕业论文学生申请答辩表与指导教师毕业论文评审表；4、毕业论文评阅人评审表；5、毕业论文答辩表；6、毕业论文答辩记录表；7、毕业论文成绩评定总表；8、学位论文原创性声明及版权使用授权书；9、中英文题目与作者；10、中英文内容摘要和关键词。（1）摘要是论文内容的简要陈述，应尽量反映论文的主要信息，内容包括研究目的、方法、成果和结论，不含图表，不加注释，具有独立性和完整性。中文摘要一般为200-400字左右，英文摘要应与中文摘要内容完全相同。（2）关键词是反映毕业论文主题内容的名词，是供检索使用的。主题词条应为通用技术词汇，不得自造关键词。关键词一般为3-5个，按词条外延层次（学科目录分类），由高至低顺序排列。关键词排在摘要正文部分下方。11、目录；目录按三级标题编写，要求层次清晰，且要与正文标题一致。主要包括绪论、正文主体、结论、致谢、主要参考文献及附录等。12、正文。论文正文部分包括：绪论（或前言、序言）、论文主体及结论。 （1）绪论。综合评述前人工作，说明论文工作的选题目的和意义，国内外文献综述，以及论文所要研究的内容。（2）论文