分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)穩(wěn)定性控制研究綜述

陳廣秋

（福建商貿(mào)學(xué)校,福建 福州 350000）

以電動(dòng)汽車(chē)為載體對(duì)其節(jié)能、環(huán)保、安全方面問(wèn)題的研究已成為熱點(diǎn)話題。分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)，尤其是輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)，其四個(gè)輪轂中分別安裝一個(gè)電機(jī)獨(dú)立控制車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)力矩，已成為研究新能源汽車(chē)穩(wěn)定性控制方面不可或缺的選擇[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外大多學(xué)者對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)穩(wěn)定性控制技術(shù)的研究局限在正常制動(dòng)工況下的穩(wěn)定性控制，而對(duì)處于極限工況下車(chē)輛穩(wěn)定性控制技術(shù)研究較少，尤其是車(chē)輛多體動(dòng)力學(xué)模型、穩(wěn)定性控制器設(shè)計(jì)方面，因此本文針對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)、分析和展望。

1 車(chē)輛多體動(dòng)力學(xué)模型

孫艷等（2014）在ADAMS/Car中建立電動(dòng)汽車(chē)模型，并驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，但該軟件存在仿真速度相對(duì)較慢的問(wèn)題，且建模過(guò)程較為煩瑣，不利于后續(xù)對(duì)所建電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行控制[2]。宗長(zhǎng)富等（2011）、楊福廣（2010）研究的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立轉(zhuǎn)向車(chē)輛模型只考慮了車(chē)輛平面運(yùn)動(dòng)而未兼顧車(chē)輛垂向運(yùn)動(dòng)，該模型是基于MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行編程，其建模過(guò)程是車(chē)輛各個(gè)系統(tǒng)機(jī)械組合，缺乏有機(jī)組合，造成所建模型與實(shí)車(chē)差距較大[3-4]。馬高峰等（2015）運(yùn)用CarSim/Simulink對(duì)電動(dòng)汽車(chē)建模，并在雙移線工況下，驗(yàn)證模型的精確度[5]。熊璐等（2014）在CarSim/Simulink里構(gòu)建分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)模型，并與CarSim軟件里自帶的相應(yīng)燃油車(chē)做操縱穩(wěn)定性控制對(duì)比，其響應(yīng)誤差均在允許范圍內(nèi)，模型精度較高[6]。

綜上所述，由于CarSim構(gòu)建的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)模型具有響應(yīng)速度快、模型精度高等優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外在研究電動(dòng)汽車(chē)穩(wěn)定性控制時(shí)，車(chē)輛多體動(dòng)力學(xué)建模大多基于CarSim完成。

2 穩(wěn)定性控制器

設(shè)計(jì)車(chē)輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的要點(diǎn)包括：控制變量選取、穩(wěn)定性控制策略、穩(wěn)定性控制算法。

2.1 控制變量選取

分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)穩(wěn)定性控制是通過(guò)各個(gè)車(chē)輪提供的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)力使汽車(chē)在各種工況下穩(wěn)定行駛，而橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角是判斷汽車(chē)是否處于穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)鍵因素[7]。

許建等（2014）對(duì)附加橫擺力矩控制采用模糊控制，該控制器以實(shí)際橫擺角速度與理想橫擺角速度差值及轉(zhuǎn)角盤(pán)轉(zhuǎn)角作為輸入[8]。劉志強(qiáng)等（2019）在CarSim中構(gòu)建電動(dòng)汽車(chē)模型，在Simulink中構(gòu)建電動(dòng)汽車(chē)控制模型，并進(jìn)行聯(lián)合仿真，同時(shí)把橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角作為判斷穩(wěn)定性控制器是否需要介入控制車(chē)輛的指標(biāo)[9]。王其東等（2009）把汽車(chē)簡(jiǎn)化為二自由度的汽車(chē)模型，在角階躍工況下驗(yàn)證其控制效果，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明車(chē)輛受控性良好[10]。蔡立春（2019）把橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角當(dāng)作控制器輸入控制變量，應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制思想，設(shè)計(jì)了橫擺跟隨控制器，并基于CarSim/Simulink軟件平臺(tái)，在雙移線工況下對(duì)所設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性控制器進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明在穩(wěn)定性控制器干預(yù)下，車(chē)輛響應(yīng)更迅速，同時(shí)運(yùn)動(dòng)跟蹤效果更佳[11]。

綜上所述，影響車(chē)輛穩(wěn)定性控制的因素主要是橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，依據(jù)不同的試驗(yàn)工況，穩(wěn)定性控制器是否及時(shí)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行控制可以通過(guò)觀測(cè)實(shí)車(chē)上的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角觀測(cè)值是否與理論值偏差過(guò)大來(lái)評(píng)估。

2.2 穩(wěn)定性控制策略

邱晨曦（2019）以理想橫擺角速度和實(shí)際橫擺角速度差值結(jié)合通過(guò)模糊控制器得到的邏輯門(mén)限值來(lái)確定穩(wěn)定性控制器是否啟用，這可避免車(chē)輛行駛過(guò)程頻繁啟/停用穩(wěn)定性控制器[12]，該控制策略如圖1所示。

圖1 整車(chē)穩(wěn)定性控制策略

張新鋒等（2020）設(shè)計(jì)了模糊滑模穩(wěn)定性控制器，該控制器采用分層結(jié)構(gòu)，上層控制器是應(yīng)用模糊滑?？刂品椒ǖ玫杰?chē)輛穩(wěn)定行駛的附加橫擺力矩；下層控制器是對(duì)上層控制器輸出的附加橫擺力矩進(jìn)行差動(dòng)制動(dòng)控制分配和平均控制分配兩種方法對(duì)比分析，其結(jié)果為平均控制分配優(yōu)于差動(dòng)制動(dòng)控制分配，這是因?yàn)槠骄刂品峙淠墚a(chǎn)生更大的橫擺力矩，在極限工況下對(duì)車(chē)輛干預(yù)強(qiáng)度更大，使車(chē)輛更迅速回穩(wěn)[13]。具體分層模糊滑模穩(wěn)定性控制策略如圖2所示。

圖2 分層模糊滑模穩(wěn)定性控制策略

BAYERISCHE MOTOREN WERKE AG (DE)（2006）提出一種車(chē)輛動(dòng)力學(xué)集成控制思想，為簡(jiǎn)化車(chē)輛耦合度，將車(chē)輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)分為兩層，即車(chē)輛運(yùn)動(dòng)跟蹤規(guī)劃控制層和控制分配層[14]。

陳禹行（2013）基于CarSim中的B級(jí)車(chē)模型搭建整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)車(chē)輛實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋精準(zhǔn)需求，并通過(guò)Kalman濾波器進(jìn)行車(chē)輛狀態(tài)觀測(cè)，同時(shí)結(jié)合反饋控制方法，使實(shí)際橫擺角速度能實(shí)時(shí)有效跟隨上理想橫擺角速度[15]。

吳科甲等（2018）采用電液協(xié)同穩(wěn)定性控制策略，首先考慮利用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)力來(lái)調(diào)節(jié)車(chē)輛穩(wěn)定性，當(dāng)在極限工況下，液壓制動(dòng)系統(tǒng)及時(shí)介入?yún)f(xié)調(diào)穩(wěn)定性控制[16]，其電液協(xié)同控制策略如圖3所示。

圖3 協(xié)同控制策略圖

綜上所述，四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)穩(wěn)定性控制策略主要包括純電控制、電液協(xié)同控制，而電液協(xié)同穩(wěn)定性控制器是否介入主要依據(jù)理想橫擺角速度和實(shí)際橫擺角速度差值是否超出極限值，在極限工況下，電液協(xié)同控制可明顯提升車(chē)輛穩(wěn)定性能。

2.3 穩(wěn)定性控制算法

劉迎康（2020）首先基于MATLAB/Simulink平臺(tái)，建立了十四自由度的車(chē)輛多體動(dòng)力學(xué)模型，同時(shí)以二自由度車(chē)輛模型作為其控制模型，來(lái)獲得車(chē)輛實(shí)時(shí)理想橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角；其次，設(shè)計(jì)分層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制器，車(chē)輛在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其參數(shù)是具有不確定性和非線性，因滑?？刂破鲗?duì)具有上述特點(diǎn)的系統(tǒng)的控制上具有一定的優(yōu)越性，故上層控制器采用滑?？刂扑惴ǐ@得車(chē)輛實(shí)時(shí)附加橫擺力矩，下層控制器則主要對(duì)轉(zhuǎn)矩分別以安全性最高、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率最高為目標(biāo)均與平均分配為目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比；再次，以仿真和硬件在環(huán)方式驗(yàn)證了以安全性最高、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率最高為目標(biāo)，轉(zhuǎn)矩分配算法的優(yōu)越性[17]。

蔡立春等（2019）首先搭建了Carsim/Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)；其次，設(shè)計(jì)穩(wěn)定性控制器，穩(wěn)定性控制器中主要融合驅(qū)動(dòng)防滑、轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)等控制模塊，同時(shí)把橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角二者看作控制變量，并利用滑模變算法獲得附加橫擺力矩；再次，以有效車(chē)輛進(jìn)行驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)力矩分配，并在雙移線工況下驗(yàn)證其能有效提升車(chē)輛穩(wěn)定性[11]。

馮沖等（2014）以四輪輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)為載體，以提升車(chē)輛操縱穩(wěn)定性為目標(biāo)，設(shè)計(jì)基于偽逆控制分配算法的穩(wěn)定性控制器，并在雙移線和方向盤(pán)正弦轉(zhuǎn)角輸入工況下進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示，基于偽逆算法控制分配車(chē)輛相對(duì)于常規(guī)按照前、后軸距固定比控制分配車(chē)輛，其穩(wěn)定性能在兩種工況下均有較大改善[18]。

楊鵬飛等（2013）以分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)為載體對(duì)其穩(wěn)定性控制進(jìn)行研究，控制器控制策略采用電機(jī)/液壓控制策略，優(yōu)先考慮電機(jī)驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)力矩控制，而液壓制動(dòng)力矩是起協(xié)助控制作用，電機(jī)控制力矩是以安全性為目標(biāo)，液壓制動(dòng)方面則采用單輪制動(dòng)的方式，這使得在極限工況下，液壓制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)助控制時(shí)未能真正發(fā)揮各個(gè)車(chē)輪的全部潛能，尚有提高空間[19]。

熊璐等（2016）則根據(jù)實(shí)時(shí)車(chē)輛行駛狀態(tài)判斷電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是否滿足車(chē)速和穩(wěn)定性控制的需要，并在必要時(shí)啟動(dòng)液壓制動(dòng)控制進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩/制動(dòng)壓力以輪胎裕度值最大進(jìn)行雙重最優(yōu)分配[20]。

楊鵬飛等（2013）以整車(chē)穩(wěn)定性最高為目標(biāo)，設(shè)計(jì)穩(wěn)定性控制器時(shí)，為獲得各個(gè)車(chē)輪實(shí)時(shí)載荷，創(chuàng)新性引入載荷估計(jì)器，而穩(wěn)定性控制策略則采用電機(jī)/液壓制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)同，在穩(wěn)定性控制算法方面采用二次規(guī)劃法對(duì)車(chē)輪轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化分配，但輪轂電機(jī)與液壓制動(dòng)系統(tǒng)始終處于共同工作狀態(tài)[19]。

ZHAO等（2020）[21]首先在控制策略方面采用相平面法的協(xié)調(diào)決策來(lái)決定采用穩(wěn)定性還是經(jīng)濟(jì)性的控制策略；其次，在輪胎力矩分配算法方面兼顧節(jié)能與安全問(wèn)題，對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化分配；再次，用仿真和半實(shí)物試驗(yàn)證明，該協(xié)調(diào)控制策略能有效地提升分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

綜上，四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)穩(wěn)定性算法中，主要依據(jù)實(shí)際變量和理想變量之間的差值，通過(guò)模糊PI或者滑?？刂偏@得維持車(chē)輛穩(wěn)定性行駛時(shí)所需的附加橫擺力矩。而在附加橫擺力矩分配方面，主要采取的方式包括有效輪驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)、平均分配（即一側(cè)驅(qū)動(dòng)一側(cè)制動(dòng)）。這兩種穩(wěn)定性控制算法在極限工況下無(wú)法充分利用輪胎裕度值，而以輪胎裕度值最大化為目標(biāo)，電液協(xié)同控制可充分解決上述問(wèn)題，值得學(xué)者深入研究。

3 結(jié)論與展望

文章從分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)穩(wěn)定性控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中的控制變量選取、穩(wěn)定性控制策略、穩(wěn)定性控制算法三方面的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

（1）在控制變量選取方面，目前主要是橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角兩個(gè)變量，且大多數(shù)采用橫擺角速度進(jìn)行控制，但質(zhì)心側(cè)偏角也是衡量車(chē)輛是否處于穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)鍵表征量，后續(xù)學(xué)者可采取聯(lián)合控制，或者在不同狀態(tài)下對(duì)橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角采用自動(dòng)切換控制。

（2）在電動(dòng)汽車(chē)穩(wěn)定性控制策略方面，大多采用純電控制或電液協(xié)同控制，且大多數(shù)是在常規(guī)工況下采用純電機(jī)控制，而在極限工況下采用電機(jī)/液壓系統(tǒng)控制。但目前大多學(xué)者在電液協(xié)同控制時(shí)采用電液復(fù)合制動(dòng)，未能發(fā)揮電機(jī)能正反轉(zhuǎn)控制靈活的優(yōu)勢(shì)，今后在控制策略上可考慮電機(jī)驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)及液壓制動(dòng)兩者控制車(chē)輛穩(wěn)定性。

（3）在電動(dòng)汽車(chē)穩(wěn)定性控制算法方面，則以安全或者節(jié)能為目標(biāo)進(jìn)行控制力矩分配。但目前大多學(xué)者在電機(jī)控制力矩分配算法時(shí)有考慮節(jié)能、安全問(wèn)題，而對(duì)液壓制動(dòng)控制力矩分配的研究，仍停留在單側(cè)制動(dòng)或有效輪制動(dòng)。這使得車(chē)輛的穩(wěn)定性能提升還有一定空間，后續(xù)學(xué)者可從電液雙重最優(yōu)分配方面來(lái)繼續(xù)研究。