四輪獨立驅動電動汽車穩(wěn)定性仿真研究

李潔瑩

（上海燃料電池汽車動力系統(tǒng)有限公司，上海201804）

0 引言

電動汽車的驅動電機響應快、易于控制，且較內燃機汽車的機械傳動效率高，因此可以開發(fā)出低成本、性能理想的電動汽車底盤系統(tǒng)，提高電動汽車性價比，加速電動汽車的普及。而電動輪驅動技術是實現上述目標、解決目前電動汽車發(fā)展障礙的理想途徑。在車輛的穩(wěn)定性研究中，主動轉向技術、主動懸架技術與驅動力／制動力控制是當前所主要采用的方法。本文從四輪獨立驅動電動車角度出發(fā)研究的穩(wěn)定性控制策略對以后掌握采用四輪獨立驅動的電動汽車的關鍵技術和形成自主開發(fā)能力具有指導意義。

1 汽車穩(wěn)定性因素分析

當前的汽車穩(wěn)定性控制理念是選取汽車的橫擺角速度和質心側偏角2個變量作為汽車穩(wěn)定性的控制目標，通過一定的調節(jié)措施使得汽車的橫擺角速度和質心側偏角處于普通駕駛員的控制范圍內。選取這2個變量表征汽車操縱穩(wěn)定性的原因如下：汽車行駛狀態(tài)主要由縱向速度、側向速度和橫擺角速度確定?？v向速度與側向速度確定汽車質心的側偏角，橫擺角速度的積分得到汽車的橫擺角，而質心側偏角與橫擺角之和為汽車行駛的航向角。假設汽車的質心側偏角較小，可忽略不計，則汽車的航向角主要由汽車的橫擺角決定。航向角越大，汽車的轉彎半徑越??；航向角越小，汽車的轉彎半徑越大。因此，在質心側偏角比較小的情況下，橫擺角速度決定了汽車的穩(wěn)定狀態(tài)。但是當汽車處于低附著路面上，轉彎時出現大的質心側偏角時，橫擺角速度就不能準確地表述汽車的穩(wěn)定狀態(tài)。這個時候質心側偏角更能體現汽車的穩(wěn)定性。相關文獻也指出，質心側偏角對于車輛穩(wěn)定性控制必不可少。

通過上述分析，可以得到以下結論：（1）車輛穩(wěn)定性主要受車輛質心側偏角與橫擺角速度影響，二者之間存在耦合關系，汽車轉向的過度、不足均可由車輛橫擺角速度表示。另外，汽車轉向過度還可以由車輛質心側偏角表示。（2）車輛穩(wěn)定性的重要影響因素包括車輛質心側偏角，車輛質心側偏角越是增大，司機轉動方向盤時越是感到沉重吃力，車輛的側向力矩、橫擺力矩也就越加難以控制，從而易造成車輛失控。（3）車輛質心側偏角與附著系數有關，質心側偏角最大值會隨著附著系數的減小而減小，即車輛穩(wěn)定性受質心側偏角的影響增大。（4）車輛質心側偏角偏大，車輛轉向的特征，即司機駕駛意向，可由車輛橫擺角速度表示；但如果車輛質心側偏角偏小，車輛行駛軌跡則無法由橫擺角速度表示。

綜上所述，本文選擇橫擺角速度和質心側偏角聯合作為表征汽車操縱穩(wěn)定性的變量進行控制。

2 四輪獨立驅動電動汽車穩(wěn)定性控制策略

根據本文研究的車輛的特點以及穩(wěn)定性控制策略的總體方案，確定穩(wěn)定性控制策略分為3個步驟，即判斷、控制、執(zhí)行。

第一步，判斷汽車是否失穩(wěn)。

第二步，根據上一步的判斷，如果確定汽車失穩(wěn)，那么按照分層結構進行控制。先確定使汽車恢復穩(wěn)定所需的總控制量即附加橫擺力矩ΔM，再通過相應的控制策略決策出各個車輪應該有什么樣的滑移率／滑轉率，以期使車輛受到地面施加的期望的附加橫擺力矩ΔM。

第三步，通過控制驅動電機，將車輪的滑移率／滑轉率控制在期望值。

完整的穩(wěn)定性控制策略總體方案如圖1所示。

圖1 控制策略流程圖

根據當前駕駛員的操作，通過二自由度參考模型計算出當前汽車理想的橫擺角速度，與實際的橫擺角速度做差得到橫擺角速度偏差，輸入失穩(wěn)判斷模塊。失穩(wěn)判斷模塊需要的信號還有：實際的質心側偏角、方向盤轉角、路面附著系數、車速、側向加速度；失穩(wěn)判斷模塊通過判斷汽車是過度轉向失穩(wěn)還是不足轉向失穩(wěn)，將結果輸入力矩分配模塊。橫擺運動控制器根據橫擺角速度偏差計算出的期望附加橫擺力矩也輸入力矩分配模塊，力矩分配模塊根據所得的數據決策出每個車輪期望的滑移率／滑轉率λ＊，與實際的滑移率／滑轉率λ做差得到Δλ。因為輪胎受到的驅動力和制動力與滑轉率／滑移率是非線性關系，而且車輪的力矩不能直接控制，需要通過電流信號改變電機的輸出轉矩。要直接寫出關于滑移率／滑轉率和電機電流的精確數學模型比較困難，所以采用簡單的魯棒性較強的PID控制器來得到電機的驅動電流。最終由電機驅動車輪，改變汽車的行駛狀態(tài)。

3 控制策略的適用范圍

本文所研究的控制策略的適用范圍與底層執(zhí)行機構的能力有關，驅動和制動都是由電機實現的，曲線表達式如下：

式中，n為電機轉速；δ為加速踏板開度；Mmax為電機發(fā)出的峰值力矩；M為實際發(fā)出的驅動力矩。

電機可以進行電制動，根據實際情況，電機制動力矩最大可以達到驅動力矩的90%左右，本文假設電機最大制動力矩為驅動力矩的85%。制動力矩如下式：

當加速踏板開度為100%時，最大的電機驅動力矩為45N·m，乘以減速比5．2得到車輪受到的最大驅動力矩為234N·m。最大制動力矩為199N·m，最大的驅動扭矩只有在低速時電機才能提供。當電機轉速增加時，電機的反電動勢會提高，使電機輸出的力矩降低。所以，由電制動和電驅動產生的最大附加橫擺力矩也會相應減小。

本文所設計的控制策略是主動安全控制策略，當駕駛員踩加速踏板的時候可以起作用，當駕駛員不踩油門踏板時也起作用，但是當駕駛員踩制動踏板時本文設計的控制策略不對汽車進行控制，因為當汽車失穩(wěn)時控制策略要求驅動某一車輪，這會與汽車的液壓制動系統(tǒng)產生干涉，所以當駕駛員踩制動踏板時控制策略不起作用。

4 仿真實驗及分析

通過對比裝有SCS（穩(wěn)定性控制策略）的四輪獨立驅動電動汽車和不裝SCS的普通四輪獨立驅動電動汽車的運動，來檢驗所設計的控制策略的有效性。實驗路徑為半徑為20m的圓環(huán)軌道，路的寬度為16m，軌道如圖2所示。

圖2 道路簡圖

路面附著系數為1．0。汽車緩慢加速，經過5s將加速踏板踩到開度為80%，之后保持加速踏板的開度。本實驗是閉環(huán)實驗，通過CarMaker自帶駕駛員保持汽車行駛在道路中央。對比裝有SCS的車輛和不裝SCS的車輛的運動。根據本文設計的控制策略對各個電機進行單獨控制，如圖3所示。

圖3 各個電機驅動扭矩分析

從圖3可以看出，第24s后出現向左不足轉向，此時對右前輪進行驅動、對左后輪進行制動來減小汽車的不足轉向?？刂撇呗云鸬搅吮３址€(wěn)定的控制效果，但是汽車的車速有所降低，如圖4所示，在第10s時施加控制的汽車車速小于未施加控制的汽車。從圖中可以看出，此時車速僅為5km／h。如果汽車的車速很低，可以在出現失穩(wěn)時通過驅動某一個或幾個車輪進行調整，而不采用制動進行調整。

圖4 汽車速度對比

5 結語

現如今，發(fā)展新能源汽車尤其是純電動汽車成為了熱門話題。在當前眾多形式的電動車輛中，采用電動輪獨立驅動的動力系統(tǒng)正日益成為發(fā)展方向，它因布局靈活、動力獨立可控、性能優(yōu)越等特點得到了廣泛的研究和應用。

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