汽车轮毂
摘 要：CarSim软件作为一款专门针对车辆动力学分析的权威软件，其在建模过程中考虑了整车运动多自由度，且具有运行稳定、仿真精度高等系列优点。为了降低试验成本、提升工作效率，在现有的轮毂电机电动汽车实车平台参数的基础上，利用CarSim软件，搭建与实车平台相匹配的轮毂电机电动汽车整车模型。所建立的仿真模型可为轮毂电机电动汽车整车联合仿真平台的搭建做铺垫，并为后期的控制算法的研究及验证提供坚实基础。
关键词：CarSim 轮毂电机电动汽车 整车模型
Establishment of a Complete Vehicle Model of a Wheel Motor Electric Vehicle Based on CarSim
Liu Qiusheng Xie Dacheng Xu Xiaoyu Zhang Yuanqing
Abstract：CarSim software is an authoritative software specifically for vehicle dynamics analysis. It takes into account the multiple degrees of freedom of vehicle movement in the modeling process， and has a series of advantages such as stable operation and high simulation accuracy. In order to reduce test costs and improve work efficiency， based on the parameters of the existing wheel motor electric vehicle real vehicle platform， the CarSim software is used to build a wheel hub electric vehicle model that matches the real vehicle platform. The established simulation model can pave the way for the construction of the in-wheel electric vehicle integrated simulation platform， and provide a solid foundation for the later research and verification of the control algorithm.
Key words：CarSim， in-wheel motor electric vehicle， vehicle model
1 引言
近年来，采用轮毂电机独立驱动的电动汽车因其设计紧凑、结构简单、动力传动链短、传动效率高以及控制响应迅速等独特优势而备受关注[1]。进一步研究轮毂电机电动汽车的动态特性及控制算法，需要建立一个完整、精确、实用的仿真测试模型作为基础。从现有的国内外文献看，大部分仿真模型的建立都是基于MATLAB/Simulink进行软件编程实现，对整车建模过程做了大量简化，并未接近实际。而CarSim软件作为一款专门针对车辆动力学分析的权威软件，主要用于模拟车辆在驾驶员、空气动力学以及不同路面输入的动态响应，同时对车辆行驶过程中的动力性、制动性、经济性、操稳性以及平顺性等方面进行仿真和预测[2]。如图1所示，整个CarSim软件主界面由三部分组成，分别是车辆参数与仿真工况的设置、数学模型求解以及结果后处理。
1. 轮毂电机电动汽车实车试验平台参数
轮毂电机电动汽车实车试验平台作为整车道路试验以及动力学研究的试验基础，其作用不言而喻[3]。目前，大部分研究机构在开发实车平台时，多以市场主流车型进行综合改造，本文采用自主设计理念，完成基于简化车身的整车试验平台的模型设计与搭建。整车试验平
台采用的是铅酸蓄电池组提供动力源，利用四个轮毂电机进行独立驱动，采用了独立悬架结构，加装了EPS及EHB系统，并设计了独特的仪表功能，由此真正实现整车驱动行驶的“低噪声、零排放、高效率”。该平台前期通过采用三维实体建模软件CATIA完成整个设计过程并对各总成零件进行匹配、校核，最终得到模型示意图如图2。参照整车设计平台，经过相关部件的市场选型，将其组装，并进行加工和试验，最后得到完整的实车平台如图3。
为了使整车建模与实车平台的参数一致，并提高模型的精确性，在CarSim建模的过程中，其所需的车体结构参数以及特性参数均来自轮毂电机实车平台的实测参数。所以，需要根据上述的实车平台，完成对其相关结构参数的测量获取，得到整车的基本参数如表1。除此之外，建模过程中还需用到一些较准确的特性参数，这些参数无法直接通过测量获得，而需要通过某种方法估算或特殊的测量方法获取，比如横摆转动惯量以及转向系统的传动比特性等。考虑到本文对横摆转动惯量的精度要求不高，所以通过采用估算方法得到，其估算公式如下式1，其中，、分別为汽车质心前部、后部质量，a、b含义如表1。
汽车转向系统的传动比特性的测量则采用特殊的方法获得，首先使整车状态固定，慢慢原地转动方向盘，利用转角传感器测出其转角变化，并测出前轮的转角变化。通过测到的方向盘转角以及前轮转角的数据变化进行拟合，确定两者之间的非线性关系如图4所示。
2 基于CarSim的轮毂电机电动汽车整车模型的建立
根据上面所测出的实车平台参数，完成基于CarSim建立与轮毂电机电动车实车平台相一致的整车模型。整车模型的建立主要从七个部分进行，分别是车体、空气动力学、动力系、制动系、转向系、悬架以及轮胎，如图5。从这七个组成来看，除动力系统之外，其余系统的建模均与传统汽车相似或一样，所以轮毂电机电动汽车的整车建模的重点主要是对动力系统模型的整改。
2.1 车体
在CarSim软件中进行车体建模时，需要事先确定好车身的有关参数尺寸，如车身质量、转动惯量、车体的长宽高、质心高度及轴距等，其建模界面如图6所示，根据界面显示，只需在相应的表框中输入相应的参数即可完成。所以，通过将上面测量所获取的实车平台参数（既表1数据）输入至图6中的相应位置中，CarSim就可自动完成车体的建模，即生成一个完整的并与上面的车平台相类似的车体模型。
2.2 空气动力学
考虑到本文及后期的研究重点主要是联合仿真平台的建立和相关控制算法的仿真分析，所以暂不考虑空气动力学特性对车辆的综合影响，因此在参数设置时均采用默认值。
2.3 动力系统
在对动力系统建模时，CarSim软件里提供了多种驱动方式及多种功率大小的发动机，但这些设置均是针对传统的燃油汽车，却不适用于本文研究的轮毂电机电动汽车[4]。因此，需要将CarSim中的某款传统汽车整车模型进行大幅改动，将其动力系统進行重置修改，切断传动系统与车轮之间的动力传递，由内置的发动机驱动改为由外接动力进行驱动，直接由电机转矩加载到车轮里实现。具体的设置如图7所示，其余参数的设置均按实车参数标准。另外，为了接下里完成与Simulink的跨平台联合仿真，还需对上述CarSim整车模型的输入输出接口进行预先定义，接口的正确设置对整个模型的准确性至关重要，尤其对联合仿真过程的顺利与否产生重大影响，表2为具体的接口设置。整个仿真流程示意如图8。
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