徐秀娟

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

四輪獨立驅(qū)動電動汽車動力學(xué)控制發(fā)展概況及難點分析

徐秀娟

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

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

電動汽車；動力學(xué)控制；發(fā)展概況；控制難點

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安全性與主動安全性兩方面，而車輛動力學(xué)控制則是提高車輛主動安全性的重要方法。目前廣泛應(yīng)用的動力學(xué)控制系統(tǒng)有制動防抱死系統(tǒng)（ABS）、驅(qū)動防滑系統(tǒng)（ASR）以及電子穩(wěn)定性程序（ESP）。傳統(tǒng)汽車的動力學(xué)控制系統(tǒng)一般是在檢測到車輪偏離穩(wěn)定性區(qū)域時，通過對個別車輪施加制動力矩來改善車輛的穩(wěn)定性，但制動力會造成車輛速度損失，且具有明顯的介入感；而電動汽車采用電驅(qū)動系統(tǒng)，電機響應(yīng)快且轉(zhuǎn)矩精確可控，并且可實現(xiàn)動力分散控制，提高了控制自由度，更有利于汽車動力學(xué)控制。

一、電動汽車動力學(xué)控制研究現(xiàn)狀

汽車動力學(xué)控制的目的是通過對個別車輪施加一定的驅(qū)/制動力，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。因此可知動力學(xué)控制包含工作狀態(tài)識別及動力學(xué)控制兩個基本問題，本文主要關(guān)注動力學(xué)控制方面。

由于電機既可以施加驅(qū)動力矩，也可以施加制動力矩，因此電動汽車同時具有液壓制動系統(tǒng)和再生制動系統(tǒng)，從而實現(xiàn)車輛的復(fù)合制動。根據(jù)兩種系統(tǒng)的特點，實現(xiàn)復(fù)合制動的方式主要分為兩種，一種是在傳統(tǒng)的液壓制動力的基礎(chǔ)上再疊加電機的再生制動；另一種是對兩種制動力進行分配，共同滿足制動需求。無論是哪種制動方案，都需要滿足以下幾點功能需求：滿足全工況下駕駛員的制動需求；提供良好的制動感覺；保證車輛的制動安全性和穩(wěn)定性；提高能量回收效率。

驅(qū)動動力學(xué)控制系統(tǒng)的目的是防止車輛在起步、再加速過程中出現(xiàn)打滑，以維持車輛方向的穩(wěn)定性。目前針對四輪獨立驅(qū)動電動汽車的單輪驅(qū)動防滑研究[1]，主要集中在路面附著系數(shù)及最優(yōu)滑移率辨識、車速估計以及驅(qū)動防滑控制算法三個方面。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單的優(yōu)點，但需要大量的試驗標(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]則會產(chǎn)生系統(tǒng)抖振。

四輪獨立驅(qū)動的電動汽車為車輛利用直接橫擺力矩控制來實現(xiàn)操縱穩(wěn)定性控制提供了極其有利的條件，由于電機可以快速地在驅(qū)動/制動狀態(tài)間進行切換，且轉(zhuǎn)矩精確可控，轉(zhuǎn)速精確可知，因此擴展了操縱穩(wěn)定性控制能力范圍?，F(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：上層為運動跟蹤層，由方向盤轉(zhuǎn)角、油門踏板及制動力踏板解析駕駛員意圖，計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執(zhí)行器，以實現(xiàn)對車輛的穩(wěn)定性控制。

二、電動汽車動力學(xué)控制難點及解決方案

相比于傳統(tǒng)汽車，電動汽車（尤其是多電機驅(qū)動電動汽車）具有更多的執(zhí)行器及控制自由度，這些特點在帶來控制更加精確、控制效果更好的優(yōu)點的同時，也帶來了更復(fù)雜的控制問題。

對于復(fù)合制動控制，液壓力與電機的再生制動力分配[5]便是一大難點。為了達到在保證駕駛員需求制動力得到滿足的前提下盡可能多地利用再生制動的目的，復(fù)合制動分配策略可以根據(jù)制動工況的不同，將制動過程根據(jù)一定的條件分為常規(guī)制動過程、過渡過程、防抱死制動過程三種工況考慮。常規(guī)制動過程應(yīng)在充分考慮駕駛員制動需求的前提下優(yōu)先進行電機的再生制動，若制動力不足再由液壓制動進行補償。在由常規(guī)制動進入防抱死制動的過渡過程中，根據(jù)車輛當(dāng)前狀態(tài)逐步減小電機再生制動在總制動力中所占比重，增加液壓制動；在防抱死制動過程中，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，對于電動汽車穩(wěn)定性控制的研究大多只考慮了整車層面的側(cè)向工況，而未考慮在進行直接橫擺力矩控制時單個車輪的狀態(tài)。由于在進行直接橫擺力矩控制時輪胎有抱死及打滑的工況，且縱向力切換頻繁，因此很可能會激活 ABS控制系統(tǒng)或 ASR 控制系統(tǒng)，此時由穩(wěn)定性控制計算出的電機力矩與由 ABS或ASR 系統(tǒng)計算出的電機力矩會產(chǎn)生沖突，若不讓車輪出現(xiàn)抱死或打滑，則勢必會對穩(wěn)定性控制產(chǎn)生影響，使得車輛無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)動防滑控制、制動防抱死控制等動力學(xué)控制系統(tǒng)的集成控制成為一大難點。在進行各控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)集成控制時，可以將驅(qū)動防滑控制與制動防抱死控制進行整合，轉(zhuǎn)化為滑移率控制[6]，設(shè)計驅(qū)制動一體化滑移率控制方法；在進行車輛的穩(wěn)定性控制時，對于下層的轉(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)打滑或抱死情況時及時調(diào)整控制分配層的效率矩陣，盡可能滿足上層運動跟蹤控制的要求。

三、結(jié)語

根據(jù)以上分析，作者認(rèn)為對于四輪獨立驅(qū)動電動汽車，液壓制動與電機再生制動的制動力分配控制是一大難點，在進行制動力分配時應(yīng)在充分滿足制動力需求的前提下盡可能地采用再生制動；此外，各動力學(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汽車未來發(fā)展的一大主題，在各系統(tǒng)的工作區(qū)間發(fā)生沖突時，需建立有效的決策指標(biāo)，避免各動力學(xué)子系統(tǒng)同時介入。

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

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

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

[4]林程,徐志峰,周逢軍,曹萬科.分布式驅(qū)動電動汽車穩(wěn)定性分層控制策略研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報.2015，(5):490-493.

[5]楊萬慶.電子液壓制動系統(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)率的電動車輛驅(qū)動防滑控制策略[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報.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)控體系的研究與實踐”（項目編號：15Z22）；2016 年陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目“基于職業(yè)崗位能力的機械產(chǎn)品檢驗員培訓(xùn)體系建設(shè)”（項目編號：GFY16-04）

徐秀娟（1968-），女，陜西禮泉人，陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程分院教授，高級工程師，研究方向：機械設(shè)計與制造。