余卓平，肖振宇，冷 搏，王竑博，熊 璐

（1.同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804）

分布式驅(qū)動電動汽車操縱穩(wěn)定性控制評價體系

余卓平1，2，肖振宇1，冷 搏2，王竑博2，熊 璐2

（1.同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804）

基于分布式驅(qū)動電動車動力學(xué)控制系統(tǒng)的特點，設(shè)計了一套客觀評價體系，用于評價分布式驅(qū)動電動車動力學(xué)控制系統(tǒng)的性能。評價體系包括性能評價項目、評價方法和評分準(zhǔn)則3個方面。性能評價項目涵蓋整車層面和動力學(xué)控制系統(tǒng)層面。利用提出的評價體系對搭載動力學(xué)控制的車輛進(jìn)行了操縱穩(wěn)定性試驗評價，驗證了評價體系的合理性和可行性。

操縱穩(wěn)定性；評價體系；車輛動力學(xué)控制；分布式驅(qū)動電動汽車

分布式驅(qū)動電動車具有各輪獨立驅(qū)動且驅(qū)動力矩可控等特點，其動力學(xué)控制方法一直是各大企業(yè)及高校研究的焦點［1］。操縱穩(wěn)定性控制方法對于改善整車性能具有十分重要的作用。為了分析控制效果，優(yōu)化、標(biāo)定控制參數(shù)，操縱穩(wěn)定性控制評價成為汽車動力學(xué)控制研究中主要研究內(nèi)容之一。目前，汽車設(shè)計最終的評價、調(diào)校多基于主觀評價［2］，控制效果的優(yōu)劣難以定量描述；因此，長期以來，車輛研發(fā)人員致力于設(shè)計合理的能夠?qū)囕v性能定量描述的指標(biāo)，實現(xiàn)對操縱穩(wěn)定性控制的定量評價［3］。

在操縱穩(wěn)定性控制評價方面，Crolla教授在進(jìn)行主客觀一致性研究中使用的評價項目設(shè)置方式、對比評價方法、數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理方法等被廣為借鑒［4］。文獻(xiàn)［5］從制動穩(wěn)定性和制動效能對配備制動防抱死系統(tǒng)（ABS）性能進(jìn)行評價，并提出車輛ABS制動穩(wěn)定性能評價指標(biāo)，如側(cè)偏力與縱向力的比值，控制能量，車輪側(cè)偏角，車輪滑移率等，但文獻(xiàn)并沒有對相關(guān)指標(biāo)的評價設(shè)置對應(yīng)的試驗工況。文獻(xiàn)［6］建立了一套驅(qū)動防滑控制（ASR）算法的評價體系，文章從驅(qū)動效率、算法魯棒性和執(zhí)行器控制能量等方面對ASR控制算法進(jìn)行評價。文獻(xiàn)［7］也通過試驗分析對比了有無驅(qū)動防滑算法介入時車輛的加速性能和附著系數(shù)利用率。文獻(xiàn)［8］詳細(xì)分析裝備電子穩(wěn)定程序（ESP）的車輛性能，發(fā)現(xiàn)正弦停滯試驗?zāi)軌蝌炞CESP系統(tǒng)對車輛過多轉(zhuǎn)向趨勢的干預(yù)效果。文獻(xiàn)［9］設(shè)計雙移線工況、蛇行行駛工況、圓周試驗工況和變路面附著系數(shù)工況，研究基于駕駛員操縱行為分析的極限工況下ESP系統(tǒng)性能評價。文獻(xiàn)［10］以車輛操縱穩(wěn)定性評價指標(biāo)為研究對象，利用多元統(tǒng)計方法分析各指標(biāo)變量間的依賴關(guān)系，構(gòu)造少數(shù)幾個操穩(wěn)性綜合評價指標(biāo)，通過對各項指標(biāo)加權(quán)求和的方式計算操縱穩(wěn)定性能得分，但其評價體系的合理性和可行性缺少試驗驗證。

在前期動力學(xué)控制評價研究中，大都針對動力學(xué)控制系統(tǒng)某一方面的性能，或針對車輛本身性能。分布式驅(qū)動電動汽車由于裝配冗余執(zhí)行器，且各車輪力矩可以快速而精確地獨立控制，其操縱穩(wěn)定性控制可以同時實現(xiàn)操縱性改善控制、車輛穩(wěn)定性控制、車輪滑移率控制等多個控制功能；因此，需針對分布式驅(qū)動電動汽車操縱穩(wěn)定性控制系統(tǒng)建立客觀的綜合評價體系。文章旨在參考國內(nèi)外相關(guān)車輛技術(shù)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和動力學(xué)控制系統(tǒng)評價方法，針對分布式驅(qū)動電動汽車操縱穩(wěn)定性能建立一套較為全面的動力學(xué)控制系統(tǒng)客觀評價體系；并對搭載動力學(xué)控制系統(tǒng)和無控制的分布式驅(qū)動電動汽車進(jìn)行試驗評價，驗證評價體系合理性和可行性。

1 動力學(xué)控制系統(tǒng)評價體系

1.1 評價項目

從整車層面、動力學(xué)控制系統(tǒng)層面建立分布式驅(qū)動電動車動力學(xué)控制系統(tǒng)的性能評價項目。

1.1.1 整車評價項目

從整車的角度出發(fā)，設(shè)置直線加速性能、彎道加速性能、直線制動性能、彎道制動性能、中心區(qū)操縱性、直線行駛俯仰特性、直線行駛方向穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向性、彎道行駛方向保持特性、彎道行駛動態(tài)穩(wěn)定性、彎道過多/不足失穩(wěn)特性等性能評價項目。

1.1.2 動力學(xué)控制系統(tǒng)評價項目

操縱穩(wěn)定性控制根據(jù)控制對象可以分為車輪動力學(xué)控制和整車動力學(xué)控制。對于采用模型跟蹤控制的車輪滑移率控制和橫擺運動跟蹤控制可采用控制精度指標(biāo)對跟蹤效果進(jìn)行評價。考慮到模型參數(shù)的不確定性、估計參數(shù)誤差等對控制效果的影響，需對其控制魯棒性進(jìn)行評價?？刂菩Чc執(zhí)行器能耗在控制系統(tǒng)設(shè)計過程中是一對矛盾的指標(biāo)，在對控制精度評價的同時需要對控制能量也進(jìn)行評價。對于實現(xiàn)相同功能的不同系統(tǒng)，其復(fù)雜程度不同，運行效率不同，在實際運用中，控制系統(tǒng)的實時性非常重要，所以需對其實時性進(jìn)行評價。

1.2 評價體系

根據(jù)1.1節(jié)設(shè)計的性能評價項目，參考現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)對車輛性能指標(biāo)評價方法的規(guī)定，對各個評價項目設(shè)計如表1所示的評價體系。評價體系包括評價工況和性能參數(shù)兩部分。

表1評價體系中直線制動性能、轉(zhuǎn)向性能、中心區(qū)操縱性能和彎道行駛動態(tài)穩(wěn)定性在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)［11-13］都有比較完善的評價方法；其他性能指標(biāo)作者根據(jù)動力學(xué)控制特點和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的不足做了補充和修正工作［14］。

1.3 評分準(zhǔn)則

評分準(zhǔn)則用于量化描述動力學(xué)控制系統(tǒng)本身以及對車輛性能的改善程度。評分采用百分制，以無控制車輛試驗結(jié)果為基準(zhǔn)，記無控制車輛得分為60分，設(shè)計如式（1）所示的評分方法計算有控制車輛得分，得分越高性能越好。以直線加速性能評價中的平均縱向加速度指標(biāo)評分為例:

式中:a60為無控制車輛平均縱向加速度；a為待評價動力學(xué)控制系統(tǒng)作用下車輛平均縱向加速度；Ja為平均縱向加速度評價得分。

由于每種性能評價項目都是在其對應(yīng)的多個工況下進(jìn)行分析評價，所以每個性能評價項目的評分值都應(yīng)該是多個試驗工況的綜合，即

式中:Ja為其對應(yīng)的性能參數(shù)評價計分值；Jei為在每個具體工況下的評價計分值；wei為各個工況間的權(quán)重系數(shù)；n為評價工況數(shù)。文章中同一個性能評價項目所對應(yīng)的各個工況是同等重要的。

在對車輛性能進(jìn)行評價時，一般具有一個或幾個工況，每個工況中對應(yīng)一個或多個性能參數(shù)，所以對于車輛性能在某個試驗工況中的評價計分值為其對應(yīng)的性能參數(shù)評分值的綜合。

式中:Jp為性能評價項目評價計分值；wbi為同一性能指標(biāo)對應(yīng)的各性能參數(shù)間的權(quán)重系數(shù)；n為評價性能參數(shù)總數(shù)。文章中認(rèn)為同一個性能指標(biāo)對應(yīng)的多個性能參數(shù)是同等重要的。

表1 動力學(xué)控制系統(tǒng)評價體系Tab.1 Evaluation system

續(xù)表1

2 實車試驗分析

2.1 試驗平臺與測量系統(tǒng)

采用分布式驅(qū)動電動車作為試驗平臺。該試驗平臺采用麥弗遜式前懸架，扭轉(zhuǎn)梁式后懸架；前軸為盤式制動，由兩個輪邊電機(jī)驅(qū)動，裝備有6.2減速比的輪邊減速器；后軸為鼓式制動，由兩個輪轂電機(jī)驅(qū)動。整車及電機(jī)主要參數(shù)如表2所示。車輛狀態(tài)信息以及方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩信息分別由GPS慣性導(dǎo)航儀和測力方向盤獲得。

搭載的動力學(xué)控制算法為課題組提出的帶自校正LQR功能的穩(wěn)定性控制算法［15］。

表2 整車及電機(jī)主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of the vehicle and motor

2.2 實車試驗及結(jié)果分析

2.2.1 連續(xù)過彎穩(wěn)定性

以45 km·h-1的初始車速進(jìn)入蛇行工況，在進(jìn)入工況之后松開油門，樁距12 m，試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 蛇行工況連續(xù)過彎穩(wěn)定性試驗結(jié)果Fig.1 Slalom test results

由圖1可知，在有控制介入的情況下，橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角、側(cè)向加速度的波動相對較小。此處采用相同初始車速情況下的速度損失來衡量完成工況的通過車速，速度損失越小，通過車速越高，車輛彎道行駛動態(tài)穩(wěn)定性越好，評分結(jié)果如表3所示。

表3 蛇行工況彎道行駛動態(tài)穩(wěn)定性評分結(jié)果Tab.3 Slalom test marking results

2.2.2 轉(zhuǎn)向回正試驗

駕駛車輛繞著15 m半徑的圓周行駛，調(diào)整車速使側(cè)向加速度達(dá)到6 m·s-2，待方向和速度穩(wěn)定后開始記錄并釋放方向盤，記錄時間內(nèi)盡量保證車速一致，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向回正試驗結(jié)果Fig.2 Steering returnability test results

在當(dāng)前工況下，有控制時，由于控制算法缺少回正工況判別和控制，車身恢復(fù)穩(wěn)定的時間要比無控制時稍長，橫擺角速度、方向盤轉(zhuǎn)角波動相比無控制時較大；而殘留橫擺角速度與無控制時一樣，均為0；評分結(jié)果如表4所示。

2.2.3 穩(wěn)態(tài)圓周試驗

采用100 deg的定方向盤轉(zhuǎn)角進(jìn)行穩(wěn)態(tài)圓周試驗，在試驗開始前以15 km·h-1的最低穩(wěn)定車速行駛并緩慢增加車速至側(cè)向加速度5 m·s-2左右，記錄試驗數(shù)據(jù)，評分結(jié)果見表5。

表4 轉(zhuǎn)向回正試驗評分結(jié)果Tab.4 Steering returnability test marking results

表5 穩(wěn)態(tài)圓周試驗評分結(jié)果Tab.5 Steady circular test marking results

由于側(cè)向加速度較低，橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角均沒有超過安全閾值，穩(wěn)定性控制算法幾乎沒有介入，所以有無控制評分結(jié)果幾乎相同。

3 結(jié)論與展望

在基于對現(xiàn)行車輛性能評價標(biāo)準(zhǔn)的分析基礎(chǔ)上，根據(jù)分布式驅(qū)動電動車動力學(xué)控制系統(tǒng)的性能特點，參考當(dāng)前各大企業(yè)、各國標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)中對車輛及動力學(xué)控制系統(tǒng)的評價方法，分別從整車層面、動力學(xué)控制系統(tǒng)層面設(shè)計了分布式驅(qū)動電動車動力學(xué)控制系統(tǒng)性能評價項目。最后根據(jù)所建立的分布式驅(qū)動電動車動力學(xué)控制系統(tǒng)客觀評價體系，結(jié)合當(dāng)前試驗條件，對本課題組所設(shè)計的穩(wěn)定性控制算法的部分評價項目進(jìn)行試驗評價，同時驗證了評價體系的可行性。

在對動力學(xué)控制系統(tǒng)的試驗分析中，由于試驗條件的限制，僅選擇了部分試驗工況，并且在試驗中或多或少存在著一定的人為誤差。在后期可以考慮完善相關(guān)的試驗條件，以期對動力學(xué)控制系統(tǒng)進(jìn)行更為全面的分析和評價。

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［11］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢查檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T6323-2014汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

［12］BRITISH STANDANDS INSTITUTION.ISO 9815-2003 Road vehicles-passenger-car and trailer combinations-Lateral stability test［S］.London:British Standards Institution，2003.

［13］BRITISH STANDARDS INSTITUTION.ISO 4138-1996，Passenger cars-steady-state circular driving behavior-open-loop test procedure［S］.London:British Standards Institution，1996.

［14］王竑博.分布式驅(qū)動電動車動力學(xué)控制系統(tǒng)試驗分析［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2016:33-50.

［15］XIONG L，YU Z，WANG Y，et al.Vehicle dynamics control of four in-wheel motor drive electric vehicle using gain scheduling based on tyre cornering stiffness estimation［J］.Vehicle System Dynamics，2012，50（6）:1-16.

Control Evaluation System Testing of Distributed Drive Electric Vehicle Handling Stability

Yu Zhuoping1，2，Xiao Zhenyu1，Leng Bo2，Wang Hongbo2，Xiong Lu2
（1.Sino-German School for Graduate Studies，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.School of Automotive Studies，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Based on features of distributed drive electric vehicle dynamic control system，an objective evaluation system for dynamic control systems of distributed drive electric vehicles was established.The evaluation system consists of performance evaluation parameters，evaluation methods and marking criteria.Performance evaluation was conducted in aspects of the vehicle and the dynamics control.Vehicle handling stability tests were carried out to assess a vehicle stability controller with the proposed evaluation system and to verify rationality and feasibility of the evaluation system itself.

handling stability performance；evaluation system；vehicle dynamic control；distributed drive electric vehicle

U461；U467.1

A

1005-0523（2016）05-0025-08

（責(zé)任編輯 劉棉玲）

2016－06－12

國家科技支撐計劃項目（2015BAG17B01）；國家自然科學(xué)基金項目（U1564207）

余卓平（1960—），男，教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向為汽車動力學(xué)控制。

肖振宇（1991—），男，碩士研究生，研究方向為汽車動力學(xué)控制。