電動汽車轉(zhuǎn)矩分配與橫擺力矩控制研究

曹兢哲，李中豪

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

新能源汽車

電動汽車轉(zhuǎn)矩分配與橫擺力矩控制研究

曹兢哲，李中豪

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

由于在結(jié)構(gòu)布置、動力性等方面的突出優(yōu)勢，采用輪轂電機(jī)驅(qū)動已經(jīng)成為未來汽車的重要發(fā)展方向。在文章中，對采用輪轂電機(jī)驅(qū)動的汽車進(jìn)行了深入分析，建立整車動力學(xué)模型，進(jìn)行了輪胎驅(qū)動力分配、橫擺力矩控制的仿真研究。結(jié)果表明，輪轂電機(jī)可以大幅度提高車輛的動力性及操縱穩(wěn)定性。

電動汽車；輪轂電機(jī)；轉(zhuǎn)矩分配；橫擺力矩控制

CLC NO.:U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-11-03

引言

由輪轂電機(jī)驅(qū)動的電動汽車是一種新型的電動汽車驅(qū)動方式。由于這種驅(qū)動結(jié)構(gòu)相對簡單，且使得各車輪驅(qū)動力可靈活分配，大幅度提高車輛動力學(xué)，所以其已經(jīng)成為未來電動汽車的發(fā)展方向。在電動汽車中，電機(jī)控制是整車控制的重點(diǎn)部分，而電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配控制又是電機(jī)控制的這一重點(diǎn)之中的難點(diǎn)。

1、轉(zhuǎn)矩分配控制

電動汽車既可以前輪驅(qū)動，亦可以后輪驅(qū)動或者四輪驅(qū)動，驅(qū)動力控制可由電機(jī)獨(dú)立控制，具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，從而使電動汽車的驅(qū)動控制更加靈活，而且可以提高汽車的操縱穩(wěn)定性。所以研究電動汽車的轉(zhuǎn)矩分配控制就變得迫在眉睫。

如果可以合理控制每一個電機(jī)的驅(qū)動力矩或者制動力矩，就可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車上所有的底盤控制系統(tǒng)，比如ABS、TCS、ESP等系統(tǒng)的功能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)制動能量回收，充分利用制動能量，減少消耗。電動輪汽車技術(shù)研究的難點(diǎn)在于電子差速和轉(zhuǎn)矩分配，而且電動輪汽車的整車控制設(shè)計的核心主要就是這兩點(diǎn)，尤其是轉(zhuǎn)矩分配。所以對轉(zhuǎn)矩分配的控制策略研究是本文的重點(diǎn)。

首先，車輛行駛過程中，由于各輪胎與地面間的接觸情況不盡相同，且車輪間存在復(fù)雜的載荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，使得各輪胎的附著能力差別很大。而輪轂電機(jī)電動汽車可對各車輪的驅(qū)動力矩獨(dú)立控制，由此便實(shí)現(xiàn)了根據(jù)各輪胎的附著能力進(jìn)行驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配的控制。其中，較常用的一種方法為基于附著裕度進(jìn)行各車輪間的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配。電動輪汽車的結(jié)構(gòu)簡單，可以利用其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，直接通過控制驅(qū)動電機(jī)讓其產(chǎn)生反向的制動轉(zhuǎn)矩，或者減小特定的電動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生橫擺力矩達(dá)到傳統(tǒng)ESP的功能。

2、整車動力學(xué)模型搭建

圖1 整車非線性動力學(xué)模型

為對整車電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩控制策略進(jìn)行研究與分析，首先建立某阿克曼轉(zhuǎn)向輪轂電機(jī)電動汽車整車7自由度動力學(xué)模型。模型建立時，假設(shè)：

車輛質(zhì)心位于左右對稱面上；忽略越野工況，則不考慮車輛的俯仰、側(cè)傾、垂向運(yùn)動和車輪的垂向運(yùn)動；假設(shè)轉(zhuǎn)向時，兩前輪轉(zhuǎn)角相同。

利用牛頓第二定律，對車輛的縱向自由度、側(cè)向自由度、橫擺自由度和四個車輪的旋轉(zhuǎn)自由度列動力學(xué)方程為：

其中，m為整車質(zhì)量；Iz為懸掛質(zhì)量繞z軸的轉(zhuǎn)動慣量，Je為車輪轉(zhuǎn)動慣量，ωij為車輪旋轉(zhuǎn)角速度，Ti為車輪h驅(qū)動力矩（制動時為負(fù)值），F(xiàn)zij為地面法向反作用力，f滾動阻力系數(shù)，Re為車輪半徑。

3、基于最優(yōu)附著裕度的轉(zhuǎn)矩分配

3.1 控制目標(biāo)

本文將以最優(yōu)附著裕度為控制目標(biāo)進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配。此種控制方法的控制目標(biāo)函數(shù)為：

其中：Fxi, Fyi, Fzi分別為各車輪的縱向力、側(cè)偏力和垂直載荷。輪胎的側(cè)向力采用HSRI輪胎模型的表示方式：

其中：各參數(shù)分別為各輪胎的滑移率，側(cè)偏角，靜態(tài)縱向剛度和側(cè)向剛度。此種控制方法的優(yōu)化目標(biāo)即為使P最小，此時便可充分利用輪胎與地面間的附著能力。

3.2 仿真分析

以前文的整車動力學(xué)模型為基礎(chǔ)，對最優(yōu)附著裕度驅(qū)動力矩分配控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證方式為，利用虛擬樣機(jī)仿真手段，仿真結(jié)果如圖：

圖2 最優(yōu)附著裕度分配控制策略仿真結(jié)果

由上圖可知，在最優(yōu)分配策略作用下，車輛的車速先達(dá)到最大速度。在驅(qū)動過程中，各輪胎的垂直載、滑移率等出現(xiàn)了明顯的差距，則此時各輪胎的附著裕度相差較大，而平均分配策略下車輛各驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩相同，明顯不適于當(dāng)前工況。但最優(yōu)分配策略下，各驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩有明顯的差異，此時，各驅(qū)動電機(jī)根據(jù)具體工況輸出了符合其附著能力情況的驅(qū)動力矩，增強(qiáng)了車輛的動力性。

3.3 車輛橫擺力矩控制分配

輪轂電機(jī)電動汽車可以通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，輕松的實(shí)現(xiàn)對直接橫擺力矩的控制。輪轂電機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩可以快速、精確、獨(dú)立的響應(yīng)。所以電機(jī)驅(qū)動直接橫擺力矩控制相對于主動制動橫擺力矩控制更加直接和容易實(shí)現(xiàn)。因此綜合的制動轉(zhuǎn)矩分配控制策略應(yīng)該是：根據(jù)車輛的狀態(tài)通過控制車輛縱向的驅(qū)動力矩或者制動力矩來達(dá)到控制車身的橫擺力矩的效果。

本文，以提高低速轉(zhuǎn)向的動力性和高速轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性為目的，制定了如下圖所示控制策略。

圖3 動力學(xué)轉(zhuǎn)向參考模型橫擺MAP圖

在0-30km/h的低速區(qū)間內(nèi)，ESP系統(tǒng)不參與工作，以保證低速區(qū)間的直駛動力性。在30-60km/h的中速區(qū)間內(nèi)，ESP系統(tǒng)開始參與工作，這段區(qū)間的目標(biāo)是提高機(jī)動性、但又不與原車輛相差太多，設(shè)計其中性轉(zhuǎn)向倍數(shù)為 0.85-1倍，之所以從1倍開始降低，也是因?yàn)樾枰ＷC車輛在進(jìn)入30km/h以上區(qū)間內(nèi)，ESP系統(tǒng)不會突然將車輛操縱特性改變太多，隨著車速增加，倍數(shù)逐漸降低，換言之車輛的不足轉(zhuǎn)向特性逐漸增強(qiáng)，這與一般車輛的操縱感受相同。在60-100km/h的高速區(qū)間內(nèi)，ESP系統(tǒng)的目標(biāo)是降低機(jī)動性、提高穩(wěn)定性并與原車輛操縱性能感受不至相差過多，此時倍數(shù)斜率有所降低，換言之，在原來的基礎(chǔ)上增大不足轉(zhuǎn)向特性，也就是增強(qiáng)車輛的穩(wěn)定性。

圖4 橫擺力矩控制仿真結(jié)果

同樣基于上文中的整車動力學(xué)模型對ESP控制策略進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖4。

圖5中給出了12°前輪轉(zhuǎn)角15秒階躍輸入并付諸ESP系統(tǒng)作動時車輛的操縱穩(wěn)定性表現(xiàn)，車輛此時仍處于中高速度段，但側(cè)向加速度已經(jīng)高達(dá)0.6g，ESP系統(tǒng)控制目標(biāo)仍然是提高車輛機(jī)動性。圖中反應(yīng)了理想橫擺角速度和實(shí)際橫擺角速度的對比，車輛不足轉(zhuǎn)向特性被明顯削弱，隨著穩(wěn)態(tài)時間的不斷推進(jìn)，車輛的橫擺角速度響應(yīng)并沒有增大或減小，換言之，車輛嚴(yán)格表現(xiàn)出了與中性轉(zhuǎn)向呈某種倍數(shù)關(guān)系的“假中性轉(zhuǎn)向”，這一點(diǎn)，是我們希望看到的。但是也出現(xiàn)了明顯不足，車輛的橫擺角速度并沒有與理想橫擺角速度嚴(yán)格重合，分析認(rèn)為：這是因?yàn)檐囕v此時的側(cè)向加速度明顯達(dá)到了較大值，基本處于車輛轉(zhuǎn)向極限邊緣，故而對車輛操縱特性的控制已處于相對“吃力”階段。

4、結(jié)論

近年來，輪轂電機(jī)電動汽車由于其傳動鏈短、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動輪控制靈活性高等特點(diǎn)，得到了大力發(fā)展。在電動汽車中，電機(jī)控制是整車控制的重點(diǎn)部分，而電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配控制又是電機(jī)控制的這一重點(diǎn)之中的難點(diǎn)。所以主要針對這一重點(diǎn)做了如下研究：

（1）針對電機(jī)驅(qū)動力矩控制策略，簡單對比了平均分配控制策略和最優(yōu)附著裕度控制策略下車輛的動力學(xué)性能表現(xiàn)。結(jié)果證明，最優(yōu)附著裕度控制策略下，各驅(qū)動電機(jī)能根據(jù)各車輪的工況驅(qū)動車輛，充分利用輪胎與地面間的附著能力，車輛動力性能得到明顯提高。

（2）對輪轂電機(jī)橫擺力矩控制策略進(jìn)行研究?；谔岣咧小⒌退俎D(zhuǎn)向機(jī)動性和高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的目的，設(shè)計了ESP控制系統(tǒng)，且仿真結(jié)果表明，該控制策略效果良好。

[1] 陳清泉,孫逢春,祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)[M].北京理工大學(xué)出版社.

[2] 余卓平,熊璐.分布式驅(qū)動車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀[J],機(jī)械工程學(xué)報.2013.

[3] 邊耀璋.汽車新能源技術(shù)[M].人民交通出版, 2003.

[4] Manfred Mischke.汽車動力學(xué)[M].北京: 清華大學(xué)出版社, 2009.

Research on torque distribution and yaw moment control of electric vehicle

Cao Jingzhe, Li Zhonghao
( Automobile School of Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

Due to the outstanding advantages in structural arrangement, power and other aspects of the use of in-wheel motor drive has become an important future direction of the car. In this paper, on the use of in-wheel motor drive auto-depth analysis, vehicle dynamics model, the tire driving force distribution, simulation of the yaw moment control. The results show that the in-wheel motor can significantly improve the power performance and handling stability of the vehicle.

electric vehicle; hub motor; Torque distribution; Yaw moment control

U463.3

A

1671-7988(2016)07-11-03

曹兢哲，就讀于長安大學(xué)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.004