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

        2021-11-01 05:52:00陳廣秋
        中阿科技論壇(中英文) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:控制策略

        陳廣秋

        (福建商貿(mào)學(xué)校,福建 福州 350000)

        以電動(dòng)汽車為載體對(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,尤其是輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車,其四個(gè)輪轂中分別安裝一個(gè)電機(jī)獨(dú)立控制車輪的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)力矩,已成為研究新能源汽車穩(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)處于極限工況下車輛穩(wěn)定性控制技術(shù)研究較少,尤其是車輛多體動(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)向車輛模型只考慮了車輛平面運(yùn)動(dòng)而未兼顧車輛垂向運(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)車差距較大[3-4]。馬高峰等(2015)運(yùn)用CarSim/Simulink對(duì)電動(dòng)汽車建模,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)汽車模型,并與CarSim軟件里自帶的相應(yīng)燃油車做操縱穩(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)汽車穩(wěn)定性控制時(shí),車輛多體動(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)車輪提供的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)力使汽車在各種工況下穩(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)汽車模型,在Simulink中構(gòu)建電動(dòng)汽車控制模型,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輛的指標(biāo)[9]。王其東等(2009)把汽車簡(jiǎn)化為二自由度的汽車模型,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)車輛進(jìn)行控制可以通過(guò)觀測(cè)實(shí)車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限值來(lái)確定穩(wěn)定性控制器是否啟用,這可避免車輛行駛過(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)用模糊滑模控制方法得到車輛穩(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)車輛干預(yù)強(qiáng)度更大,使車輛更迅速回穩(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)提出一種車輛動(dòng)力學(xué)集成控制思想,為簡(jiǎn)化車輛耦合度,將車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)分為兩層,即車輛運(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)車模型搭建整車動(dòng)力學(xué)模型,針對(duì)車輛實(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輛多體動(dòng)力學(xué)模型,同時(shí)以二自由度車輛模型作為其控制模型,來(lái)獲得車輛實(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,因滑模控制器對(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模控制算法獲得車輛實(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)汽車為載體,以提升車輛操縱穩(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輛相對(duì)于常規(guī)按照前、后軸距固定比控制分配車輛,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)車輛行駛狀態(tài)判斷電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是否滿足車速和穩(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)汽車的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

        綜上,四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車穩(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)兩者控制車輛穩(wěn)定性。

        (3)在電動(dòng)汽車穩(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。

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