四輪獨立驅動電動汽車動力學控制發展概況及難點分析

徐秀娟

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

四輪獨立驅動電動汽車動力學控制發展概況及難點分析

徐秀娟

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

對電動汽車的動力學控制的研究現狀進行了分析，其中驅動力控制、制動力控制及穩定性控制是動力學控制的主要內容，而電液復合制動力分配及動力學集成控制是制約四輪獨立驅動電動汽車動力學控制發展的難點。

電動汽車；動力學控制；發展概況；控制難點

安全性一直是汽車工業發展的重要主題之一。汽車的安全性一般分為被動安全性與主動安全性兩方面，而車輛動力學控制則是提高車輛主動安全性的重要方法。目前廣泛應用的動力學控制系統有制動防抱死系統（ABS）、驅動防滑系統（ASR）以及電子穩定性程序（ESP）。傳統汽車的動力學控制系統一般是在檢測到車輪偏離穩定性區域時，通過對個別車輪施加制動力矩來改善車輛的穩定性，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動系統，電機響應快且轉矩精確可控，并且可實現動力分散控制，提高了控制自由度，更有利于汽車動力學控制。

一、電動汽車動力學控制研究現狀

汽車動力學控制的目的是通過對個別車輪施加一定的驅/制動力，讓處于或即將處于不穩定狀態的車輛保持在穩定區域內工作。因此可知動力學控制包含工作狀態識別及動力學控制兩個基本問題，本文主要關注動力學控制方面。

由于電機既可以施加驅動力矩，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和再生制動系統，從而實現車輛的復合制動。根據兩種系統的特點，實現復合制動的方式主要分為兩種，一種是在傳統的液壓制動力的基礎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定性；提高能量回收效率。

驅動動力學控制系統的目的是防止車輛在起步、再加速過程中出現打滑，以維持車輛方向的穩定性。目前針對四輪獨立驅動電動汽車的單輪驅動防滑研究[1]，主要集中在路面附著系數及最優滑移率辨識、車速估計以及驅動防滑控制算法三個方面。關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點，但需要大量的試驗標定，且自適應能力差；此外也有研究人員采用更精確的控制方法，如最優控制，但其依賴于數學模型的精度，而魯棒性好的滑模變結構控制[3]則會產生系統抖振。

四輪獨立驅動的電動汽車為車輛利用直接橫擺力矩控制來實現操縱穩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動/制動狀態間進行切換，且轉矩精確可控，轉速精確可知，因此擴展了操縱穩定性控制能力范圍。現在大多數研究采用的直接橫擺力矩穩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；下層為轉矩分配層，將廣義力分配到各個執行器，以實現對車輛的穩定性控制。

二、電動汽車動力學控制難點及解決方案

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

對于復合制動控制，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，復合制動分配策略可以根據制動工況的不同，將制動過程根據一定的條件分為常規制動過程、過渡過程、防抱死制動過程三種工況考慮。常規制動過程應在充分考慮駕駛員制動需求的前提下優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。在由常規制動進入防抱死制動的過渡過程中，根據車輛當前狀態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 ABS控制系統的需求采用相應的協調控制方法。

目前，對于電動汽車穩定性控制的研究大多只考慮了整車層面的側向工況，而未考慮在進行直接橫擺力矩控制時單個車輪的狀態。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控制系統或 ASR 控制系統，此時由穩定性控制計算出的電機力矩與由 ABS或ASR 系統計算出的電機力矩會產生沖突，若不讓車輪出現抱死或打滑，則勢必會對穩定性控制產生影響，使得車輛無法跟蹤期望橫擺角速度或質心側偏角。因此，車輛穩定性控制、車輪驅動防滑控制、制動防抱死控制等動力學控制系統的集成控制成為一大難點。在進行各控制系統的協調集成控制時，可以將驅動防滑控制與制動防抱死控制進行整合，轉化為滑移率控制[6]，設計驅制動一體化滑移率控制方法；在進行車輛的穩定性控制時，對于下層的轉矩分配控制，需充分考慮輪胎當前狀態，在輪胎出現打滑或抱死情況時及時調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、結語

根據以上分析，作者認為對于四輪獨立驅動電動汽車，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，各動力學控制子系統之間的協調控制與集成控制將是電動汽車未來發展的一大主題，在各系統的工作區間發生沖突時，需建立有效的決策指標，避免各動力學子系統同時介入。

[1]楊宇,楊毅,余達太,等.電動汽車驅動防滑控制系統(ASR)的研究[J].自動化技術與應用.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 系統智能滑模控制器的研究與設計[J].汽車實用技術.2015，(12):3-7.

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

[5]楊萬慶.電子液壓制動系統(EHB)發展現狀[J].汽車與配件, 2007:41-43.

[6]馮彥彪，楊玨，季智燚，張文明.基于最優滑轉率的電動車輛驅動防滑控制策略[J].農業工程學報.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改革研究項目“高職院校完善專業人才培養質量保障與監控體系的研究與實踐”（項目編號：15Z22）；2016 年陜西國防工業職業技術學院科研項目“基于職業崗位能力的機械產品檢驗員培訓體系建設”（項目編號：GFY16-04）

徐秀娟（1968-），女，陜西禮泉人，陜西國防工業職業技術學院機械工程分院教授，高級工程師，研究方向：機械設計與制造。