電動(dòng)汽車底盤一體化控制技術(shù)的發(fā)展研究

董國宇 劉江浩

摘要：本文針對(duì)電動(dòng)汽車底盤一體化控制的發(fā)展研究，結(jié)合理論實(shí)踐，在簡要闡述目前電動(dòng)汽車底盤一體化集成控制發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，深入分析了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車底盤一體化控制的關(guān)鍵技術(shù)，并提出發(fā)展趨勢。得出電動(dòng)汽車底盤一體化控制技術(shù)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)汽車電動(dòng)化和智能化控制關(guān)鍵的結(jié)論，希望對(duì)相關(guān)單位有一定幫助。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；底盤一體化；控制技術(shù)；發(fā)展研究

國內(nèi)外大量研究表明，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車底盤一體化控制對(duì)提高汽車行駛的安全性有重要意義，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)汽車電動(dòng)化和智能化控制的主要途徑。因此，目前很多汽車生產(chǎn)生產(chǎn)廠家，都把發(fā)展研究的重點(diǎn)放在電動(dòng)汽車底盤一體化控制技術(shù)的研究中，我國對(duì)此方面研究的起步比較晚，和西方發(fā)達(dá)國家相比還存在不小的差距，在這樣的基礎(chǔ)上，開展電動(dòng)汽車底盤控制技術(shù)的發(fā)展研究就顯得尤為重要。

1.關(guān)鍵執(zhí)行器的性能改進(jìn)和一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)

主動(dòng)輪技術(shù)的實(shí)施基礎(chǔ)是輪轂電機(jī)與電磁主動(dòng)懸架執(zhí)行器的集成設(shè)計(jì)。一方面，應(yīng)以降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和系統(tǒng)耦合程度為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)輪系統(tǒng)中輪轂電機(jī)和直線電機(jī)式電磁主動(dòng)懸架的結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)。另一方面，針對(duì)電磁懸架普遍存在的功率密度低的缺點(diǎn)，需要對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以改善直線電機(jī)的功率因數(shù)、起動(dòng)推力等特性：此外，還需要對(duì)電磁主動(dòng)懸架執(zhí)行器的空間布置進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)懸架由單一垂向動(dòng)力學(xué)向縱、橫、垂向三維耦合控制拓展，以解決輪邊驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)特殊動(dòng)力布置形式造成的懸架非垂向共振等問題。

2.底盤底層控制系統(tǒng)的重構(gòu)與全方位底盤控制

輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的平順性、操穩(wěn)性和主動(dòng)懸架能量消耗等三個(gè)問題相互制約耦合，需要建立統(tǒng)一的多目標(biāo)空間域，對(duì)主動(dòng)輪系統(tǒng)的縱向、橫向、垂向各功能權(quán)重進(jìn)行有效辨識(shí)，以更直觀的方式表達(dá)各目標(biāo)的相容區(qū)域疊加效應(yīng)和干涉區(qū)域的協(xié)調(diào)機(jī)制，以及各功能在空間域中的特性場分布、性能譜圖和可控區(qū)域，明晰功能實(shí)現(xiàn)過程中參數(shù)的耦合度和相互影響關(guān)系，為系統(tǒng)級(jí)控制策略與子任務(wù)分配的研究提供依據(jù)。

底盤底層控制系統(tǒng)的重構(gòu)是指對(duì)汽車底盤系統(tǒng)整體化控制目標(biāo)和過程的統(tǒng)籌規(guī)劃，從車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)多目標(biāo)一體化控制的角度出發(fā)，以輪胎與地面的作用力耦合機(jī)理、車身姿態(tài)控制為解決問題的關(guān)鍵，需要對(duì)涉及汽車縱、橫、垂向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)、轉(zhuǎn)向及懸架等底盤功能進(jìn)行綜合控制研究?？刂颇繕?biāo)不再獨(dú)立、甚至相互矛盾，而是以車身六自由度、車輪六自由度耦合動(dòng)力學(xué)的姿態(tài)控制為主要目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)車身、輪胎橫縱垂、側(cè)傾、俯仰、橫擺的姿態(tài)穩(wěn)定和振動(dòng)最小化。底盤控制系統(tǒng)的控制過程也從傳統(tǒng)的扭矩（動(dòng)力性及穩(wěn)定性）、車身加速度響應(yīng)（舒適性）轉(zhuǎn)向輪胎工況、車身姿態(tài)的綜合控制，通過主動(dòng)懸架與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)對(duì)平順性的高頻控制、對(duì)操縱穩(wěn)定性的低頻準(zhǔn)靜態(tài)控制的隔離，解決汽車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的矛盾問題，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)輪電動(dòng)汽車底盤系統(tǒng)“高功能內(nèi)聚、低系統(tǒng)耦合”的優(yōu)點(diǎn)，將底盤控制由傳統(tǒng)的、不關(guān)聯(lián)的單維度控制，轉(zhuǎn)向集成車輪、懸架的三維空間化、全方位立體化綜合控制。通過這種具有底盤控制立體空間化特性的主動(dòng)輪系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)全方位底盤控制（global chassis COiltrol，GCC），是目前較具有可行性的方案。

3.整車多自由度姿態(tài)控制

整車姿態(tài)不僅包括對(duì)平順性影響較大的車身姿態(tài)，也包括對(duì)操縱穩(wěn)定性影響較大的車輪運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。為改善輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車平順性和操穩(wěn)性的矛盾，主動(dòng)懸架執(zhí)行器理論上最優(yōu)的工作狀態(tài)為剛?cè)狁詈系膯蜗蜃鲃?dòng)，即對(duì)車身體現(xiàn)為柔性作用不施加主動(dòng)力，避免車身加速度響應(yīng)過激，保證車身平穩(wěn)：而對(duì)車輪體現(xiàn)為剛性作用實(shí)現(xiàn)力和位移控制，避免因動(dòng)載荷過大造成輪胎跳動(dòng)等問題。如何在新型電磁主動(dòng)懸架上實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，配合輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向控制車輪運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，保證執(zhí)行器對(duì)車輪的單向力與位移耦合控制、位移與加速度復(fù)合控制、車身姿態(tài)控制，是改善輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車平順性和操穩(wěn)性矛盾的關(guān)鍵。

4.執(zhí)行器的接口標(biāo)準(zhǔn)化與汽車開放性系統(tǒng)構(gòu)架

而基于線控技術(shù)的主動(dòng)輪電動(dòng)汽車底盤系統(tǒng)，集成了驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)、轉(zhuǎn)向及主動(dòng)懸架，可以讓研究人員不再拘泥于底盤控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及硬件功能實(shí)現(xiàn)上，而可以專注于汽車動(dòng)力學(xué)控制問題的根本，即車輪驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)力的分布，以及主動(dòng)輪系統(tǒng)的懸架力/位移控制問題，不必過多考慮執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)協(xié)同工作等問題。但這就要求各執(zhí)行器具有標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出控制特性，實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、接口化，能根據(jù)工程人員的需要對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充和維護(hù)。要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，必須制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系和系統(tǒng)接口。目前，歐洲的汽車行業(yè)最先發(fā)起并正在研究和探討建立汽車開放性系統(tǒng)構(gòu)架（automotl‘ve open systems architecture，AUToSA R）目前全球范圍內(nèi)有寶馬、奔馳、大眾、歐寶、標(biāo)致、豐田、福特、博世、大陸和西門子等50多個(gè)汽車生產(chǎn)廠家和汽車配件生產(chǎn)廠家參與這項(xiàng)工程。國內(nèi)一汽、長安等整車廠技術(shù)研究院也于2009年逐漸開始將AuToSAR標(biāo)準(zhǔn)用于ECU的設(shè)計(jì)、開發(fā)、驗(yàn)證等方面。在汽車底盤控制研究中，以AUToSA R規(guī)范為基礎(chǔ)進(jìn)行控制系統(tǒng)等軟件體系的開發(fā)，能夠高效管理愈來愈復(fù)雜的車輛電子系統(tǒng)和執(zhí)行器，有利于實(shí)現(xiàn)上述汽車動(dòng)力學(xué)本質(zhì)問題的改善。

5.新式底盤系統(tǒng)的測試技術(shù)和方法

基于主動(dòng)輪的新型汽車底盤系統(tǒng)中，汽車動(dòng)力學(xué)的多項(xiàng)功能集成在驅(qū)動(dòng)車輪中，如驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、懸架系統(tǒng)，單個(gè)車輪或四分之一汽車模型將包含更多的信息，這樣汽車底盤總成的測試環(huán)境將大大簡化。但在實(shí)際應(yīng)用中，需針對(duì)這種“高功能內(nèi)聚、低系統(tǒng)耦合”的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行測試方法和技術(shù)的匹配，充分針對(duì)不同工況下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能，測試主動(dòng)輪在模擬路面下簧載質(zhì)量、非簧載質(zhì)量的位移、加速度響應(yīng)，驗(yàn)證控制器對(duì)車身姿態(tài)控制、車身位移及加速度響應(yīng)、輪胎位移及動(dòng)載荷復(fù)合主動(dòng)控制的效果。此外通過施加輪轂電機(jī)控制信號(hào)，測試主動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)等性能，并將單個(gè)車輪的測試結(jié)果向整車擴(kuò)展，為多個(gè)主動(dòng)輪系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制提供基礎(chǔ)。由于特殊的結(jié)構(gòu)及布置形式，傳統(tǒng)汽車動(dòng)力學(xué)測試臺(tái)架需要進(jìn)行改裝以匹配這種新型底盤系統(tǒng)，現(xiàn)有的測試方法也需要有針對(duì)性地進(jìn)行完善。

結(jié)語

隨著汽車產(chǎn)量和保有量的迅速增長，人類面臨嚴(yán)峻的能源、環(huán)境和氣候的巨大挑戰(zhàn)，以電動(dòng)汽車為代表的新能源汽車是實(shí)現(xiàn)交通可持續(xù)發(fā)展的最佳選擇，發(fā)展電動(dòng)汽車，實(shí)現(xiàn)汽車能源動(dòng)力系統(tǒng)的電氣化，推動(dòng)傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，在國際上已經(jīng)形成了廣泛共識(shí)。