分布式驅(qū)動電動汽車橫擺穩(wěn)定性控制技術(shù)綜述

姜文浩，張麗萍

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

引言

在環(huán)境和能源的雙重壓力下，汽車工業(yè)發(fā)展的主流方向無疑是電動汽車。電動汽車可根據(jù)電機布置方式而分為集中式驅(qū)動和分布式驅(qū)動。分布式驅(qū)動具有驅(qū)動傳動鏈短、車輛動力傳遞更快和更高效等突出特點，但車輛控制難度卻由此提升。

針對多種分布式電驅(qū)動汽車橫擺力矩控制技術(shù)來說，現(xiàn)如今主流的穩(wěn)定性的控制方法為直接橫擺力矩控制、四輪轉(zhuǎn)向控制和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)分配控制等，控制方法的采用由于不同的研究意圖和想法而不同。本文主要展開研究的對象是直接橫擺力矩控制方法，該方法不僅可擴展車輛控制方式和滿足車輛行駛要求，還可控制車輛橫擺穩(wěn)定性。

1 車輛穩(wěn)定性特征參數(shù)分析

耦合關(guān)系存在于車輛的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角之中，因而很難分別控制其跟隨期望狀態(tài)。通過對車輛穩(wěn)定性的分析，分別通過橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角而設(shè)計創(chuàng)造的模糊控制器逐漸成為主流[1]。

1.1 橫擺角速度

橫橫擺角速度γ是指車輛繞垂直軸的偏轉(zhuǎn)，該偏轉(zhuǎn)的大小代表汽車的穩(wěn)定程度。角速度越大，橫擺角變化就越快，說明易導(dǎo)致車輛發(fā)生側(cè)滑或者甩尾等危險工況。橫擺角是橫擺角速度的積分，航向角θ質(zhì)心側(cè)偏角β與橫擺角的和。航向角指的是地面坐標系下，車輛質(zhì)心速度與橫軸的夾角?？捎檬剑?）表示。

從式（1）可知，航向角θ大小在質(zhì)心側(cè)偏角很小的情況下就由此時可以表示車輛轉(zhuǎn)向能力的橫擺角所決定，即橫擺角速度越大，轉(zhuǎn)向半徑越小，轉(zhuǎn)向明顯。車輛實際運動情況下，控制功能的觸發(fā)都是通過檢測質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度來實現(xiàn)的，在急轉(zhuǎn)工況下，駕駛員很容易因為橫擺角速度階躍變化等干擾而引發(fā)危險。

1.2 質(zhì)心側(cè)偏角

質(zhì)心側(cè)偏角β同樣可表征汽車運動狀態(tài)，它是指車輛質(zhì)心速度方向與車頭指向的夾角，表示了車頭偏離汽車前進方向的程度。質(zhì)心側(cè)偏角根據(jù)縱向速度Vx與橫向速度Vy求得，如式（2）所示。

車輛橫擺力矩由于質(zhì)心側(cè)偏角的增大會變得越來越小，當車輛的質(zhì)心側(cè)偏角變得很大時，輪胎的側(cè)偏特性影響輪胎側(cè)向力， 致使車輛的側(cè)向力總和與橫擺力矩趨于一常數(shù)。當車輛質(zhì)心側(cè)偏角數(shù)值沒有得到很大提升時，車輛具有良好可操控性。

1.3 滑移率

滑移率是在車輪運動中滑動成分所占的比例。車輛行駛的穩(wěn)定性受車輪的滑移量的影響很大，其中主要影響因素就是路面附著系數(shù)，它影響著車輪的滑移率s，滑移率s如式（3）所示。

式中：u為車速，uω為車輪速度，ω為車輪滾動角速度，r為車輪半徑。

當車輛的滑移率s增大，車輛側(cè)向附著力隨著車輛側(cè)向附著系數(shù)變小而減少，車輛的穩(wěn)定行駛將難以保證，車輛易發(fā)生側(cè)滑。當車輪純滾動時，uω=u，s=0；當車輪抱死純滑動時，uω=0，s=100%；當車輪邊滾動邊滑動時，u＞uω，0＜s＜100%。因此若想保證車輛穩(wěn)定行駛就需要選擇合適的滑移率，并且保證縱、側(cè)向附著力足夠大。

2 車輛橫擺穩(wěn)定性主流控制方法及其研究現(xiàn)狀

2.1 直接橫擺力矩控制方法研究現(xiàn)狀

目前提高車輛操縱穩(wěn)定性最有效的方法就是直接橫擺力矩控制（Direct yaw moment control，DYC），而分布式驅(qū)動電動車輛擁有獨立可控制的驅(qū)動力，因而其不同于只能基于制動系統(tǒng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)附加橫擺力矩的傳統(tǒng)車輛，從而更利于控制直接橫擺力矩[2]。

2.1.1 運動跟蹤層

運動跟蹤控制是指控制車輪力矩使車輛的實際運行軌跡跟隨理想軌跡變化，亦指控制車輛的穩(wěn)定性狀態(tài)參數(shù)使其響應(yīng)參考模型理想輸出值的變化。

德國博世公司的Albert Lutz等人在求出車輛穩(wěn)定性控制參數(shù)的目標值后通過制動滑移率控制器來完成對車輛的跟蹤控制[3]。

吉林大學(xué)的王慶年等人采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID控制相結(jié)合的形式使車輛實現(xiàn)橫擺角速度的跟隨，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)得到PID控制器的3個最優(yōu)參數(shù)，利用PID控制器得到附加橫擺力矩[4]。

2.1.2 力矩分配層

橫擺力矩分配就是控制執(zhí)行元件，即電機與液壓制動系統(tǒng)，調(diào)整電機輸出力矩與液壓控制系統(tǒng)的制動力矩。為實現(xiàn)車輛行駛狀態(tài)的修正，應(yīng)滿足車輛橫擺力矩需求，實現(xiàn)力矩分配。

Ossama Mokhiamar等人以路面附著的最小利用率最小為力矩分配的控制目標，各輪對目標函數(shù)的影響權(quán)重不同，當后軸車輪的重量系數(shù)略大于前輪時，將較好實現(xiàn)車輛的穩(wěn)定控制[5]。

同濟大學(xué)的姜煒等人利用分層優(yōu)化分配方法實現(xiàn)優(yōu)化力矩分配則采用加權(quán)最小二乘法的方法，以此實現(xiàn)車輛儲備附著利用率的提高?；谠搩?yōu)化方法的基礎(chǔ)，之后進一步地加速度，具有良好的穩(wěn)定性控制效果[6]。

2.2 四輪轉(zhuǎn)向控制方法研究現(xiàn)狀

在四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)上應(yīng)用控制理論已經(jīng)在先國外開始流行，而國內(nèi)針對四輪轉(zhuǎn)向的研究主要集中在后輪轉(zhuǎn)角的控制策略。

林棻等人提出一種新的四輪轉(zhuǎn)向車輛控制策略?？刂颇繕嗽O(shè)為質(zhì)心側(cè)偏角值為零時車輛轉(zhuǎn)角較小和車輛高速行駛較大轉(zhuǎn)角時前軸實現(xiàn)抗側(cè)滑。在該環(huán)境下建立了包括輪胎非線性和考慮側(cè)傾的三自由度四輪轉(zhuǎn)向車模型，其采用雙隱層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后得到四輪轉(zhuǎn)向控制器[7]。

2.3 轉(zhuǎn)向分配控制方法研究現(xiàn)狀

將車輛穩(wěn)定控制所需的橫擺力矩轉(zhuǎn)化為各車輪轉(zhuǎn)矩，即合力轉(zhuǎn)化為分力，稱之為轉(zhuǎn)矩分配控制。

日本橫濱國立大學(xué)的 Naoki Ando等人以最小二乘法為基礎(chǔ)，將車輛的跟蹤控制所需要的合力分解為每個車輪所受橫向分力和縱向分力[8]。

南京理工大學(xué)殷德軍等人根據(jù)最大可傳遞轉(zhuǎn)矩估計（MTTE）方法來分析地面附著系數(shù)和橫、縱向力之間的耦合關(guān)系，并且電機驅(qū)動特性為基礎(chǔ)來實現(xiàn)力矩的輪間分配[9]。

3 結(jié)束語

現(xiàn)今對汽車穩(wěn)定性控制的技術(shù)仍然在積極發(fā)展，該領(lǐng)域還需要不斷地豐富和創(chuàng)新。轉(zhuǎn)向力矩和驅(qū)動力矩協(xié)調(diào)控制將是未來研究的重點，由此更應(yīng)進一步發(fā)掘車輛行駛穩(wěn)定性的潛力。分布式電動汽車的廣泛投入使用使得在每個車輪和輪胎上最優(yōu)分配車輛的穩(wěn)定控制力矩必將在未來成為發(fā)展趨勢。