分布式驅動電動汽車操縱穩定性控制評價體系

余卓平，肖振宇，冷 搏，王竑博，熊 璐

（1.同濟大學中德學院，上海200092；2.同濟大學汽車學院，上海201804）

分布式驅動電動汽車操縱穩定性控制評價體系

余卓平1，2，肖振宇1，冷 搏2，王竑博2，熊 璐2

（1.同濟大學中德學院，上海200092；2.同濟大學汽車學院，上海201804）

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

操縱穩定性；評價體系；車輛動力學控制；分布式驅動電動汽車

分布式驅動電動車具有各輪獨立驅動且驅動力矩可控等特點，其動力學控制方法一直是各大企業及高校研究的焦點［1］。操縱穩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，優化、標定控制參數，操縱穩定性控制評價成為汽車動力學控制研究中主要研究內容之一。目前，汽車設計最終的評價、調校多基于主觀評價［2］，控制效果的優劣難以定量描述；因此，長期以來，車輛研發人員致力于設計合理的能夠對車輛性能定量描述的指標，實現對操縱穩定性控制的定量評價［3］。

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

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

1 動力學控制系統評價體系

1.1 評價項目

從整車層面、動力學控制系統層面建立分布式驅動電動車動力學控制系統的性能評價項目。

1.1.1 整車評價項目

從整車的角度出發，設置直線加速性能、彎道加速性能、直線制動性能、彎道制動性能、中心區操縱性、直線行駛俯仰特性、直線行駛方向穩定性、轉向性、彎道行駛方向保持特性、彎道行駛動態穩定性、彎道過多/不足失穩特性等性能評價項目。

1.1.2 動力學控制系統評價項目

操縱穩定性控制根據控制對象可以分為車輪動力學控制和整車動力學控制。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對跟蹤效果進行評價。考慮到模型參數的不確定性、估計參數誤差等對控制效果的影響，需對其控制魯棒性進行評價。控制效果與執行器能耗在控制系統設計過程中是一對矛盾的指標，在對控制精度評價的同時需要對控制能量也進行評價。對于實現相同功能的不同系統，其復雜程度不同，運行效率不同，在實際運用中，控制系統的實時性非常重要，所以需對其實時性進行評價。

1.2 評價體系

根據1.1節設計的性能評價項目，參考現有的標準對車輛性能指標評價方法的規定，對各個評價項目設計如表1所示的評價體系。評價體系包括評價工況和性能參數兩部分。

表1評價體系中直線制動性能、轉向性能、中心區操縱性能和彎道行駛動態穩定性在現行標準［11-13］都有比較完善的評價方法；其他性能指標作者根據動力學控制特點和現行標準的不足做了補充和修正工作［14］。

1.3 評分準則

評分準則用于量化描述動力學控制系統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果為基準，記無控制車輛得分為60分，設計如式（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為待評價動力學控制系統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的多個工況下進行分析評價，所以每個性能評價項目的評分值都應該是多個試驗工況的綜合，即

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

在對車輛性能進行評價時，一般具有一個或幾個工況，每個工況中對應一個或多個性能參數，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的性能參數評分值的綜合。

式中:Jp為性能評價項目評價計分值；wbi為同一性能指標對應的各性能參數間的權重系數；n為評價性能參數總數。文章中認為同一個性能指標對應的多個性能參數是同等重要的。

表1 動力學控制系統評價體系Tab.1 Evaluation system

續表1

2 實車試驗分析

2.1 試驗平臺與測量系統

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

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

表2 整車及電機主要參數Tab.2 Main parameters of the vehicle and motor

2.2 實車試驗及結果分析

2.2.1 連續過彎穩定性

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

圖1 蛇行工況連續過彎穩定性試驗結果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、質心側偏角、側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，車輛彎道行駛動態穩定性越好，評分結果如表3所示。

表3 蛇行工況彎道行駛動態穩定性評分結果Tab.3 Slalom test marking results

2.2.2 轉向回正試驗

駕駛車輛繞著15 m半徑的圓周行駛，調整車速使側向加速度達到6 m·s-2，待方向和速度穩定后開始記錄并釋放方向盤，記錄時間內盡量保證車速一致，試驗結果如圖2所示。

圖2 轉向回正試驗結果Fig.2 Steering returnability test results

在當前工況下，有控制時，由于控制算法缺少回正工況判別和控制，車身恢復穩定的時間要比無控制時稍長，橫擺角速度、方向盤轉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；評分結果如表4所示。

2.2.3 穩態圓周試驗

采用100 deg的定方向盤轉角進行穩態圓周試驗，在試驗開始前以15 km·h-1的最低穩定車速行駛并緩慢增加車速至側向加速度5 m·s-2左右，記錄試驗數據，評分結果見表5。

表4 轉向回正試驗評分結果Tab.4 Steering returnability test marking results

表5 穩態圓周試驗評分結果Tab.5 Steady circular test marking results

由于側向加速度較低，橫擺角速度和質心側偏角均沒有超過安全閾值，穩定性控制算法幾乎沒有介入，所以有無控制評分結果幾乎相同。

3 結論與展望

在基于對現行車輛性能評價標準的分析基礎上，根據分布式驅動電動車動力學控制系統的性能特點，參考當前各大企業、各國標準及文獻中對車輛及動力學控制系統的評價方法，分別從整車層面、動力學控制系統層面設計了分布式驅動電動車動力學控制系統性能評價項目。最后根據所建立的分布式驅動電動車動力學控制系統客觀評價體系，結合當前試驗條件，對本課題組所設計的穩定性控制算法的部分評價項目進行試驗評價，同時驗證了評價體系的可行性。

在對動力學控制系統的試驗分析中，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的試驗條件，以期對動力學控制系統進行更為全面的分析和評價。

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

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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）；國家自然科學基金項目（U1564207）

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

肖振宇（1991—），男，碩士研究生，研究方向為汽車動力學控制。