四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)控制發(fā)展概況及難點(diǎn)分析

徐秀娟

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)控制發(fā)展概況及難點(diǎn)分析

徐秀娟

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

對(duì)電動(dòng)汽車的動(dòng)力學(xué)控制的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，其中驅(qū)動(dòng)力控制、制動(dòng)力控制及穩(wěn)定性控制是動(dòng)力學(xué)控制的主要內(nèi)容，而電液復(fù)合制動(dòng)力分配及動(dòng)力學(xué)集成控制是制約四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)控制發(fā)展的難點(diǎn)。

電動(dòng)汽車；動(dòng)力學(xué)控制；發(fā)展概況；控制難點(diǎn)

安全性一直是汽車工業(yè)發(fā)展的重要主題之一。汽車的安全性一般分為被動(dòng)安全性與主動(dòng)安全性兩方面，而車輛動(dòng)力學(xué)控制則是提高車輛主動(dòng)安全性的重要方法。目前廣泛應(yīng)用的動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)有制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）、驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)（ASR）以及電子穩(wěn)定性程序（ESP）。傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)一般是在檢測(cè)到車輪偏離穩(wěn)定性區(qū)域時(shí)，通過(guò)對(duì)個(gè)別車輪施加制動(dòng)力矩來(lái)改善車輛的穩(wěn)定性，但制動(dòng)力會(huì)造成車輛速度損失，且具有明顯的介入感；而電動(dòng)汽車采用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)響應(yīng)快且轉(zhuǎn)矩精確可控，并且可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力分散控制，提高了控制自由度，更有利于汽車動(dòng)力學(xué)控制。

一、電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)控制研究現(xiàn)狀

汽車動(dòng)力學(xué)控制的目的是通過(guò)對(duì)個(gè)別車輪施加一定的驅(qū)/制動(dòng)力，讓處于或即將處于不穩(wěn)定狀態(tài)的車輛保持在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)工作。因此可知?jiǎng)恿W(xué)控制包含工作狀態(tài)識(shí)別及動(dòng)力學(xué)控制兩個(gè)基本問(wèn)題，本文主要關(guān)注動(dòng)力學(xué)控制方面。

由于電機(jī)既可以施加驅(qū)動(dòng)力矩，也可以施加制動(dòng)力矩，因此電動(dòng)汽車同時(shí)具有液壓制動(dòng)系統(tǒng)和再生制動(dòng)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)車輛的復(fù)合制動(dòng)。根據(jù)兩種系統(tǒng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合制動(dòng)的方式主要分為兩種，一種是在傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)力的基礎(chǔ)上再疊加電機(jī)的再生制動(dòng)；另一種是對(duì)兩種制動(dòng)力進(jìn)行分配，共同滿足制動(dòng)需求。無(wú)論是哪種制動(dòng)方案，都需要滿足以下幾點(diǎn)功能需求：滿足全工況下駕駛員的制動(dòng)需求；提供良好的制動(dòng)感覺；保證車輛的制動(dòng)安全性和穩(wěn)定性；提高能量回收效率。

驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的目的是防止車輛在起步、再加速過(guò)程中出現(xiàn)打滑，以維持車輛方向的穩(wěn)定性。目前針對(duì)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的單輪驅(qū)動(dòng)防滑研究[1]，主要集中在路面附著系數(shù)及最優(yōu)滑移率辨識(shí)、車速估計(jì)以及驅(qū)動(dòng)防滑控制算法三個(gè)方面。關(guān)于滑移率控制的研究主要以 PID 控制、門限值控制[2]為主，該類方法具有原理簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但需要大量的試驗(yàn)標(biāo)定，且自適應(yīng)能力差；此外也有研究人員采用更精確的控制方法，如最優(yōu)控制，但其依賴于數(shù)學(xué)模型的精度，而魯棒性好的滑模變結(jié)構(gòu)控制[3]則會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)抖振。

四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車為車輛利用直接橫擺力矩控制來(lái)實(shí)現(xiàn)操縱穩(wěn)定性控制提供了極其有利的條件，由于電機(jī)可以快速地在驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)狀態(tài)間進(jìn)行切換，且轉(zhuǎn)矩精確可控，轉(zhuǎn)速精確可知，因此擴(kuò)展了操縱穩(wěn)定性控制能力范圍。現(xiàn)在大多數(shù)研究采用的直接橫擺力矩穩(wěn)定性控制策略采取了分層控制[4]的解決方案：上層為運(yùn)動(dòng)跟蹤層，由方向盤轉(zhuǎn)角、油門踏板及制動(dòng)力踏板解析駕駛員意圖，計(jì)算出需求的橫擺角速度及縱向力需求；下層為轉(zhuǎn)矩分配層，將廣義力分配到各個(gè)執(zhí)行器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的穩(wěn)定性控制。

二、電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)控制難點(diǎn)及解決方案

相比于傳統(tǒng)汽車，電動(dòng)汽車（尤其是多電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車）具有更多的執(zhí)行器及控制自由度，這些特點(diǎn)在帶來(lái)控制更加精確、控制效果更好的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也帶來(lái)了更復(fù)雜的控制問(wèn)題。

對(duì)于復(fù)合制動(dòng)控制，液壓力與電機(jī)的再生制動(dòng)力分配[5]便是一大難點(diǎn)。為了達(dá)到在保證駕駛員需求制動(dòng)力得到滿足的前提下盡可能多地利用再生制動(dòng)的目的，復(fù)合制動(dòng)分配策略可以根據(jù)制動(dòng)工況的不同，將制動(dòng)過(guò)程根據(jù)一定的條件分為常規(guī)制動(dòng)過(guò)程、過(guò)渡過(guò)程、防抱死制動(dòng)過(guò)程三種工況考慮。常規(guī)制動(dòng)過(guò)程應(yīng)在充分考慮駕駛員制動(dòng)需求的前提下優(yōu)先進(jìn)行電機(jī)的再生制動(dòng)，若制動(dòng)力不足再由液壓制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。在由常規(guī)制動(dòng)進(jìn)入防抱死制動(dòng)的過(guò)渡過(guò)程中，根據(jù)車輛當(dāng)前狀態(tài)逐步減小電機(jī)再生制動(dòng)在總制動(dòng)力中所占比重，增加液壓制動(dòng)；在防抱死制動(dòng)過(guò)程中，根據(jù) ABS控制系統(tǒng)的需求采用相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制方法。

目前，對(duì)于電動(dòng)汽車穩(wěn)定性控制的研究大多只考慮了整車層面的側(cè)向工況，而未考慮在進(jìn)行直接橫擺力矩控制時(shí)單個(gè)車輪的狀態(tài)。由于在進(jìn)行直接橫擺力矩控制時(shí)輪胎有抱死及打滑的工況，且縱向力切換頻繁，因此很可能會(huì)激活 ABS控制系統(tǒng)或 ASR 控制系統(tǒng)，此時(shí)由穩(wěn)定性控制計(jì)算出的電機(jī)力矩與由 ABS或ASR 系統(tǒng)計(jì)算出的電機(jī)力矩會(huì)產(chǎn)生沖突，若不讓車輪出現(xiàn)抱死或打滑，則勢(shì)必會(huì)對(duì)穩(wěn)定性控制產(chǎn)生影響，使得車輛無(wú)法跟蹤期望橫擺角速度或質(zhì)心側(cè)偏角。因此，車輛穩(wěn)定性控制、車輪驅(qū)動(dòng)防滑控制、制動(dòng)防抱死控制等動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的集成控制成為一大難點(diǎn)。在進(jìn)行各控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)集成控制時(shí)，可以將驅(qū)動(dòng)防滑控制與制動(dòng)防抱死控制進(jìn)行整合，轉(zhuǎn)化為滑移率控制[6]，設(shè)計(jì)驅(qū)制動(dòng)一體化滑移率控制方法；在進(jìn)行車輛的穩(wěn)定性控制時(shí)，對(duì)于下層的轉(zhuǎn)矩分配控制，需充分考慮輪胎當(dāng)前狀態(tài)，在輪胎出現(xiàn)打滑或抱死情況時(shí)及時(shí)調(diào)整控制分配層的效率矩陣，盡可能滿足上層運(yùn)動(dòng)跟蹤控制的要求。

三、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上分析，作者認(rèn)為對(duì)于四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，液壓制動(dòng)與電機(jī)再生制動(dòng)的制動(dòng)力分配控制是一大難點(diǎn)，在進(jìn)行制動(dòng)力分配時(shí)應(yīng)在充分滿足制動(dòng)力需求的前提下盡可能地采用再生制動(dòng)；此外，各動(dòng)力學(xué)控制子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制與集成控制將是電動(dòng)汽車未來(lái)發(fā)展的一大主題，在各系統(tǒng)的工作區(qū)間發(fā)生沖突時(shí)，需建立有效的決策指標(biāo)，避免各動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)同時(shí)介入。

[1]楊宇,楊毅,余達(dá)太,等.電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)(ASR)的研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用.2004,23(2):29-32,35.

[2]梅景.邏輯門限值式汽車制動(dòng)防抱死(ABS)的優(yōu)化控制[J].中國(guó)科技博覽.2015，(9):126-126.

[3]陳德海，付長(zhǎng)勝，王一棟.汽車 ABS 系統(tǒng)智能滑?？刂破鞯难芯颗c設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù).2015，(12):3-7.

[4]林程,徐志峰,周逢軍,曹萬(wàn)科.分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車穩(wěn)定性分層控制策略研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào).2015，(5):490-493.

[5]楊萬(wàn)慶.電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)(EHB)發(fā)展現(xiàn)狀[J].汽車與配件, 2007:41-43.

[6]馮彥彪，楊玨，季智燚，張文明.基于最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率的電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)防滑控制策略[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2015,31(8):119-125.

Overview and Difficulties Analysis of Dynamic Control for Four-wheel-drive Electric Vehicle

XUXiu-juan
(Department ofMechanical Engineering,Shanxi Institute ofTechnology,Shanxi 710300,Xian)

This paper has analyzed the research status of the dynamic control the electrical vehicle.Traction force control, braking force control and stability control are main research subjects of vehicle dynamic control,and the distribution of the electro-hydraulic brake force and the dynamic integral control are difficulties,which lay restraints on the development of electric vehicle dynamic control with four-wheel independent driving.

electric vehicle;dynamic control;development situation;control difficulties

G469.72

A

1671-5004（2017）03-0096-02

2017-02-13

2015 年度陜西省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“高職院校完善專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量保障與監(jiān)控體系的研究與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)：15Z22）；2016 年陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目“基于職業(yè)崗位能力的機(jī)械產(chǎn)品檢驗(yàn)員培訓(xùn)體系建設(shè)”（項(xiàng)目編號(hào)：GFY16-04）

徐秀娟（1968-），女，陜西禮泉人，陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程分院教授，高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。