农业装备与车辆工程2015
江淮电动车年基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目（51305190）；辽宁省教育厅项目（L2013253）收稿日期：2015－03－30
修回日期：2015－04－12
doi ：10．3969／j．issn．1673－3142．2015．07．002
电动汽车建模方法研究
马高峰，李刚，韩海兰
(121001辽宁省锦州市辽宁工业大学汽车与交通工程学院)
［摘要］针对四轮轮毂电机电动汽车控制算法验证需要，基于CarSim 和Simulink 搭建了四轮轮毂电机电动汽车模型。将CarSim 传统内燃机汽车模型修改为四轮独立驱动汽车模型，应用Simulink 搭建电机模型，进行CarSim 和Simulink 联合仿真建立四轮轮毂电机电动汽车模型，并通过仿真实验对模型进行
了验证。验证表明，电机模型和电动汽车模型均具有良好的响应特性，模型搭建合理；该模型为以后控制算法的研究奠定了良好基础。［关键词］轮毂电机；电动汽车；CarSim ；Matlab/Simulink ；建模仿真［中图分类号］U469.72
［文献标志码］A
［文章编号］1673-3142(2015)07-0008-04
Simulation Model Research for Four－wheel Hub Motor Electric Vehicle Based on Simulink and CarSim
Ma Gaofeng ，Li Gang ，Han Hailan
（Automobile and Traffic Engineering College ，Liaoning University of Technology ，Jinzhou City ，Liaoning Province 121001，China ）［Abstract ］For the need of verifying the four－wheel hub motor electric vehicle control algorithm research ，with CarSim and
Matlab ／Simulink ，a four－wheel hub motor electric vehicle model was established．Traditional combustion engines vehicle model was altered to four－wheel－drive electric vehicle model by CarSim ，electrical machine was developed based on Matlab ／Simulink．Four－wheel hub motor
electric vehicle model was established with Matlab ／Simulink and CarSim ，and the model was verified by simulation experiment．The results show that the electrical machine and electric vehicle model have good response characteris-tics ，the model is rational ，which can be used as a good platform for the control algorithm improvements and validation．
［Key words ］hub motor ；electric vehicle ；CarSim ；Matlab ／Simulink ；modeling and simulation
0引言
目前，环保和节能的问题备受关注。为了解决
这些问题，电动汽车呈现出加速发展的趋势。轮毂电机驱动电动汽车可以省略包括减速器、差速器和传动轴等在内的机械部件，极大地降低了机械损失，同时可以节省车内空间，实现电动车的轻量化、微型化。轮毂电机相对于传统内燃机汽车除了降低整车质量、简化汽车结构、有利于增加电动汽车续驶里程外，在汽车稳定性控制方面具有明显控制优势[1-2]，因此轮毂电机被认为是电动汽车的最终驱动形式，成为研究热点[1-9]。
电动汽车模型是进行理论研究的基础。日本东京大学和东京农工大学分别建立了四轮轮毂电机7自由度平面运动模型[3-4]。该模型不考虑车辆垂直运动，电机模型直接简化为驱动力矩输入，在
车价网此基础上进行了稳定性控制研究。文献[5]建立了考虑四轮转角和悬架系统的18自由度四轮独立驱动电动车模型，其中电机模型简化为二阶传递函数。文献[6－7]建立了考虑悬架的15自由度四轮独立驱动电动汽车模型，其中文献[6]将电机模型响应特性简化为一阶滞后特性，而文献[7]建立轮毂电机数学模型。文献[8]和文献[9]建立了四轮独立驱动、独立转向车辆模型，二者只考虑了车辆平面运动，没有考虑车辆垂向运动。以上所述模型建立主要基于Matlab/Simulink 软件进行编程实现。
CarSim 软件是车辆系统动力学商业化软件，其汽
车模型能够很好反映汽车纵向、侧向和垂向动力学特性，但是里面的模型主要是传统内燃机汽车模型。论文利用CarSim 软件汽车模型能够很好反映实际汽车动力学特性的优势，将其中的内燃机模型修改为四轮独立驱动电动车模型，并应用
Matlab/Simulink 搭建轮毂电机模型，基于CarSim 与Matlab/Simulink 联合仿真进行了四轮轮毂电机
农业装备与车辆工程
AGRICULTURAL EQUIPMENT &VEHICLE ENGINEERING
第53卷第7期
Vol．53No．7
2015年7月
July 2015
第53卷第7期图3CarSim 传动系修改界面
Fig.3CarSim transmission modified
interface
电动汽车模型建模方法研究。
1四轮轮毂电机电动汽车建模
应用Matlab/Simulink 搭建轮毂电机模型，将
CarSim 中的传统内燃机汽车模型进行修改，通过
与电机模型相连，搭建出四轮轮毂电机电动汽车整车模型。
1.1轮毂电机建模
轮毂电机为两极三相无刷直流电机，基于无刷直流电机建模理论[10]，建立轮毂电机模型。电机定子绕组为Y 接集中整距绕组，转子采用隐极内转子结构，3个霍尔元件在空间相隔120°对称放置。在此结构基础上作如下简化：忽略电机铁心饱和，不计涡流损耗和磁滞损耗；不计电枢反应，气隙磁场分布近似认为是平顶宽度为120°点角度的梯形波；忽略齿槽效应，电枢导体连续均匀分布于电枢表面；驱动系统逆变电路的功率管和续流二极管均具有理想的开关特性。则无刷直流电机相电压方程的矩阵形式可表示为
u A u B u C 0
0000000000000000000
=R 000R 0000000000000
福特猛禽内饰0000000000R
i A i B i C
0000000000
0000000000
+L-M 000L-M 000L-0000000000
0000000000
M
d i A i B i C
0000000000
0000000000
+
e A e B e C
0000000000
0000000000
（1）
P e =e A i A +e B i B +e C i C
（2）P e =T e Ω
（3）由式（2）和式（3）得：
mini视频T e =e A i A +e B i B +e C
（4）T e -T l =J d Ω+B νΩ
（5）
式中：T e ———电磁转矩；Ω———电机机械角速度；T L ———
负载转矩；J ———转子转动惯量；B ν———黏滞摩擦系数；u A ———A 相绕组电压，u B ———B 相绕组电压；u C ———C 相绕组电压，i A ———A 相电流，i B ———
B 相电流；i
C ———C 相电流；e A ———A 相反电势；e B ———
B 相反电势；e
C ———C 相反电势；L ———相绕组自感；M ———相绕组互感。
式（1）、式（4）和式（5）共同构成了无刷直流电机的微分方程数学模型。根据上述公式推导可以得到轮毂电机控制结构模型，如图1所示。
图中：T ———目标转矩；r ———电机绕线内阻；l ———电机电感；J ———车轮转动惯量；k ———
电机磁通常数。
电机模型部分参数：电机电感10mH ，电机绕组内阻为0.2Ω，电机力矩系数为3，电机磁通常数为1。
应用Simulink 搭建的电机模型如图2所示。
图中：T_obj ———目标驱动力矩；K_t 1、K_t ———电机力矩系数；Rotation Speed ———车轮转速；Torque ———
输出力矩。1.2整车模型搭建
在CarSim 软件中选择B-Class ，作为基准车，保留原来的转向系统、制动系统、悬架系统，对其动力传动系进行修改。修改方法是将CarSim 中整车模型中的内燃机模型去掉，将Powertrain （动力传动）改为4-wheel drive （四轮驱动），具体内容定义为No dataset select （无数据选取）方式，如图
3所示。同时在将四轮驱动转矩设置为车辆模型
的输入量，如图4所示。其动力装置为四轮轮毂电机，模型如上所述，通过CarSim 与Matlab/Simulink 联合仿真实现电动汽车四轮轮毂电机驱动。
图1轮毂电机控制结构模型
Fig.1In-wheel motor control structure
model
图2Simulink 电机模型
Fig．2Motor control structure model in Simulink
T＿ojb K＿t1
Motor Current PID Controller1Control Voltage Limiter
fai
Motor Transfer Fcn K＿t
Torque
Rotation Speed
马高峰等：基于CarSim 的四轮轮毂电机电动汽车建模方法研究
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农业装备与车辆工程2015年
图7电机转矩-时间响应曲线
Fig.7Response curves of motor torque -time
参数名称数值
参数名称数值
车高/mm 1535车宽/mm 1695轴距/mm 2600前轮距/mm 1481质量/kg 1111后轮距/mm 1486质心高度/mm 540质心距前轴的距离/mm
1040前轮半径/mm
330
后轮半径/mm
330
因为轮毂电机电动汽车电机在车轮里导致车轮的转动惯量比基准车模型的转动惯量大，所以根据实际情况相应增大基准车车轮的转动惯量和簧载质量，参数修改如图5所示。
车辆模型部分参数如表1所示。
基于CarSim 的四轮轮毂电机电动汽车模型如图6所示。
3仿真分析
对建立的电机模型进行仿真实验，分析其响
应特性；对建立的四轮轮毂电机电动汽车模型进行仿真实验，并与所选基准车进行对比分析。
3.1电机特性仿真分析
给定目标转矩，仿真分析电机模型转矩响应特性。电机转矩的响应曲线如图7所示。由图7可
见，实际转矩相对于目标转矩响应延迟在10ms 左右，具有良好的转矩响应特性，符合实际电机响应情况。
3.2四轮轮毂电机电动汽车仿真分析
选择典型实验工况进行仿真实验。仿真实验工况：双移线工况，车速120km/h ，路面附着系数
0.85。将Simulink 与CarSim 搭建出的四轮轮毂电
雷斯特怎么样机电动车模型与基准车模型进行仿真对比分析。
由图8至图10仿真结果对比分析可知：轮毂电机电动汽车的横摆角速度、质心侧偏角、侧向加速度与基准车非常接近。四轮驱动力矩采用四轮等驱动力矩分配，驱动力矩输出如图11所示。仿真结果表明，搭建的四轮轮毂电机电动汽车模型与原基准车具有相似的动力学响应特性，在操纵稳定性、动力
性方面与基准车基本相同，可用于控制算法仿真实验验证。基于四轮轮毂电机电动汽车模型，应用Matlab/Simuink 编写驱动力矩分配等控制算法程序，通过联合仿真实验进行仿真实验研究。
图4车辆模型输入设置
Fig.4Vehicle model import setting
图5车轮转动惯量修改界面
Fig．5Modification interface of wheel moment of inertia
表1车辆模型部分参数
Tab.1Some parameters of vehicle model
图6轮毂电机电动汽车整车模型
Fig.6In-wheel motor electric vehicle
model
10
第53卷第7期马高峰等：基于CarSim 的四轮轮毂电机电动汽车建模方法研究
4结论
（1）建立的电机模型具有良好的响应特性。（2）应用CarSim 与Simulink 联合仿真搭建了
四轮轮毂电机电动汽车模型，通过与基准车的对比分析，验证了所建立模型的合理性。
（3）四轮轮毂电机电动汽车模型的搭建为以后控制算法的研究奠定了良好基础。
参考文献
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作者简介马高峰（1990—），男，辽宁丹东人，车辆工程专业在读硕士研究生。E－mail ：283599306＠qq．com
图8横摆角速度-时间响应曲线
Fig.8Response curves of yaw rate-time
图9质心侧偏角-时间响应曲线
Fig.9Response curves of slip angle-time
图10侧向加速度-时间响应曲线
Fig．10Response curves of lateral acceleration－time
图11四轮驱动力矩-时间响应曲线
Fig．11Response curves of four－wheel drive
torques
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