四輪獨立驅(qū)動電動汽車穩(wěn)定性仿真研究

李潔瑩

（上海燃料電池汽車動力系統(tǒng)有限公司，上海201804）

0 引言

電動汽車的驅(qū)動電機響應快、易于控制，且較內(nèi)燃機汽車的機械傳動效率高，因此可以開發(fā)出低成本、性能理想的電動汽車底盤系統(tǒng)，提高電動汽車性價比，加速電動汽車的普及。而電動輪驅(qū)動技術(shù)是實現(xiàn)上述目標、解決目前電動汽車發(fā)展障礙的理想途徑。在車輛的穩(wěn)定性研究中，主動轉(zhuǎn)向技術(shù)、主動懸架技術(shù)與驅(qū)動力／制動力控制是當前所主要采用的方法。本文從四輪獨立驅(qū)動電動車角度出發(fā)研究的穩(wěn)定性控制策略對以后掌握采用四輪獨立驅(qū)動的電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)和形成自主開發(fā)能力具有指導意義。

1 汽車穩(wěn)定性因素分析

當前的汽車穩(wěn)定性控制理念是選取汽車的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角2個變量作為汽車穩(wěn)定性的控制目標，通過一定的調(diào)節(jié)措施使得汽車的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角處于普通駕駛員的控制范圍內(nèi)。選取這2個變量表征汽車操縱穩(wěn)定性的原因如下：汽車行駛狀態(tài)主要由縱向速度、側(cè)向速度和橫擺角速度確定?？v向速度與側(cè)向速度確定汽車質(zhì)心的側(cè)偏角，橫擺角速度的積分得到汽車的橫擺角，而質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角之和為汽車行駛的航向角。假設(shè)汽車的質(zhì)心側(cè)偏角較小，可忽略不計，則汽車的航向角主要由汽車的橫擺角決定。航向角越大，汽車的轉(zhuǎn)彎半徑越?。缓较蚪窃叫?，汽車的轉(zhuǎn)彎半徑越大。因此，在質(zhì)心側(cè)偏角比較小的情況下，橫擺角速度決定了汽車的穩(wěn)定狀態(tài)。但是當汽車處于低附著路面上，轉(zhuǎn)彎時出現(xiàn)大的質(zhì)心側(cè)偏角時，橫擺角速度就不能準確地表述汽車的穩(wěn)定狀態(tài)。這個時候質(zhì)心側(cè)偏角更能體現(xiàn)汽車的穩(wěn)定性。相關(guān)文獻也指出，質(zhì)心側(cè)偏角對于車輛穩(wěn)定性控制必不可少。

通過上述分析，可以得到以下結(jié)論：（1）車輛穩(wěn)定性主要受車輛質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度影響，二者之間存在耦合關(guān)系，汽車轉(zhuǎn)向的過度、不足均可由車輛橫擺角速度表示。另外，汽車轉(zhuǎn)向過度還可以由車輛質(zhì)心側(cè)偏角表示。（2）車輛穩(wěn)定性的重要影響因素包括車輛質(zhì)心側(cè)偏角，車輛質(zhì)心側(cè)偏角越是增大，司機轉(zhuǎn)動方向盤時越是感到沉重吃力，車輛的側(cè)向力矩、橫擺力矩也就越加難以控制，從而易造成車輛失控。（3）車輛質(zhì)心側(cè)偏角與附著系數(shù)有關(guān)，質(zhì)心側(cè)偏角最大值會隨著附著系數(shù)的減小而減小，即車輛穩(wěn)定性受質(zhì)心側(cè)偏角的影響增大。（4）車輛質(zhì)心側(cè)偏角偏大，車輛轉(zhuǎn)向的特征，即司機駕駛意向，可由車輛橫擺角速度表示；但如果車輛質(zhì)心側(cè)偏角偏小，車輛行駛軌跡則無法由橫擺角速度表示。

綜上所述，本文選擇橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角聯(lián)合作為表征汽車操縱穩(wěn)定性的變量進行控制。

2 四輪獨立驅(qū)動電動汽車穩(wěn)定性控制策略

根據(jù)本文研究的車輛的特點以及穩(wěn)定性控制策略的總體方案，確定穩(wěn)定性控制策略分為3個步驟，即判斷、控制、執(zhí)行。

第一步，判斷汽車是否失穩(wěn)。

第二步，根據(jù)上一步的判斷，如果確定汽車失穩(wěn)，那么按照分層結(jié)構(gòu)進行控制。先確定使汽車恢復穩(wěn)定所需的總控制量即附加橫擺力矩ΔM，再通過相應的控制策略決策出各個車輪應該有什么樣的滑移率／滑轉(zhuǎn)率，以期使車輛受到地面施加的期望的附加橫擺力矩ΔM。

第三步，通過控制驅(qū)動電機，將車輪的滑移率／滑轉(zhuǎn)率控制在期望值。

完整的穩(wěn)定性控制策略總體方案如圖1所示。

圖1 控制策略流程圖

根據(jù)當前駕駛員的操作，通過二自由度參考模型計算出當前汽車理想的橫擺角速度，與實際的橫擺角速度做差得到橫擺角速度偏差，輸入失穩(wěn)判斷模塊。失穩(wěn)判斷模塊需要的信號還有：實際的質(zhì)心側(cè)偏角、方向盤轉(zhuǎn)角、路面附著系數(shù)、車速、側(cè)向加速度；失穩(wěn)判斷模塊通過判斷汽車是過度轉(zhuǎn)向失穩(wěn)還是不足轉(zhuǎn)向失穩(wěn)，將結(jié)果輸入力矩分配模塊。橫擺運動控制器根據(jù)橫擺角速度偏差計算出的期望附加橫擺力矩也輸入力矩分配模塊，力矩分配模塊根據(jù)所得的數(shù)據(jù)決策出每個車輪期望的滑移率／滑轉(zhuǎn)率λ＊，與實際的滑移率／滑轉(zhuǎn)率λ做差得到Δλ。因為輪胎受到的驅(qū)動力和制動力與滑轉(zhuǎn)率／滑移率是非線性關(guān)系，而且車輪的力矩不能直接控制，需要通過電流信號改變電機的輸出轉(zhuǎn)矩。要直接寫出關(guān)于滑移率／滑轉(zhuǎn)率和電機電流的精確數(shù)學模型比較困難，所以采用簡單的魯棒性較強的PID控制器來得到電機的驅(qū)動電流。最終由電機驅(qū)動車輪，改變汽車的行駛狀態(tài)。

3 控制策略的適用范圍

本文所研究的控制策略的適用范圍與底層執(zhí)行機構(gòu)的能力有關(guān)，驅(qū)動和制動都是由電機實現(xiàn)的，曲線表達式如下：

式中，n為電機轉(zhuǎn)速；δ為加速踏板開度；Mmax為電機發(fā)出的峰值力矩；M為實際發(fā)出的驅(qū)動力矩。

電機可以進行電制動，根據(jù)實際情況，電機制動力矩最大可以達到驅(qū)動力矩的90%左右，本文假設(shè)電機最大制動力矩為驅(qū)動力矩的85%。制動力矩如下式：

當加速踏板開度為100%時，最大的電機驅(qū)動力矩為45N·m，乘以減速比5．2得到車輪受到的最大驅(qū)動力矩為234N·m。最大制動力矩為199N·m，最大的驅(qū)動扭矩只有在低速時電機才能提供。當電機轉(zhuǎn)速增加時，電機的反電動勢會提高，使電機輸出的力矩降低。所以，由電制動和電驅(qū)動產(chǎn)生的最大附加橫擺力矩也會相應減小。

本文所設(shè)計的控制策略是主動安全控制策略，當駕駛員踩加速踏板的時候可以起作用，當駕駛員不踩油門踏板時也起作用，但是當駕駛員踩制動踏板時本文設(shè)計的控制策略不對汽車進行控制，因為當汽車失穩(wěn)時控制策略要求驅(qū)動某一車輪，這會與汽車的液壓制動系統(tǒng)產(chǎn)生干涉，所以當駕駛員踩制動踏板時控制策略不起作用。

4 仿真實驗及分析

通過對比裝有SCS（穩(wěn)定性控制策略）的四輪獨立驅(qū)動電動汽車和不裝SCS的普通四輪獨立驅(qū)動電動汽車的運動，來檢驗所設(shè)計的控制策略的有效性。實驗路徑為半徑為20m的圓環(huán)軌道，路的寬度為16m，軌道如圖2所示。

圖2 道路簡圖

路面附著系數(shù)為1．0。汽車緩慢加速，經(jīng)過5s將加速踏板踩到開度為80%，之后保持加速踏板的開度。本實驗是閉環(huán)實驗，通過CarMaker自帶駕駛員保持汽車行駛在道路中央。對比裝有SCS的車輛和不裝SCS的車輛的運動。根據(jù)本文設(shè)計的控制策略對各個電機進行單獨控制，如圖3所示。

圖3 各個電機驅(qū)動扭矩分析

從圖3可以看出，第24s后出現(xiàn)向左不足轉(zhuǎn)向，此時對右前輪進行驅(qū)動、對左后輪進行制動來減小汽車的不足轉(zhuǎn)向?？刂撇呗云鸬搅吮３址€(wěn)定的控制效果，但是汽車的車速有所降低，如圖4所示，在第10s時施加控制的汽車車速小于未施加控制的汽車。從圖中可以看出，此時車速僅為5km／h。如果汽車的車速很低，可以在出現(xiàn)失穩(wěn)時通過驅(qū)動某一個或幾個車輪進行調(diào)整，而不采用制動進行調(diào)整。

圖4 汽車速度對比

5 結(jié)語

現(xiàn)如今，發(fā)展新能源汽車尤其是純電動汽車成為了熱門話題。在當前眾多形式的電動車輛中，采用電動輪獨立驅(qū)動的動力系統(tǒng)正日益成為發(fā)展方向，它因布局靈活、動力獨立可控、性能優(yōu)越等特點得到了廣泛的研究和應用。

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