纯电动汽车驱动防滑控制研究

张庆

摘 要：纯电动汽车输出转矩过大或者冰雪湿滑路面行驶时，驱动容易发生滑转。针对纯电动汽车驱动防滑控制问题，研究了基于滑模变结构的驱动防滑控制方法，并通过仿真分析进行了验证控制方法的可行性，对纯电动汽车的设计和使用具有一定的参考意义。

关键词：纯电动汽车 驱动防滑 滑模变结构控制

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（a）-0001-02

汽车输出转矩过大或在冰雪湿滑路面行驶时，驱动轮容易发生过度滑转，严重影响汽车的驾驶性和安全性。为了避免驱动轮发生过度滑转，在车辆控制时需对输出转矩进行精确控制，以期获得最佳的驱动效果。相比于传统燃油汽车，由于电驱动系统中包含电机及控制器单元，纯电动汽车在输出转矩控制方面具有非常大的优势，这些优势可以概括为：（1）通过电机控制器单元能方便准确地获得电机输出转矩；（2）电机能迅速相应转矩控制信号并被精确控制。 该文采用滑膜变结构控制算法对纯电动汽车输出转矩进行精确控制，有效抑制了驱动轮过度滑转，实现良好的驱动防滑效果。

1 纯电动汽车驱动防滑问题

纯电动汽车由动力电池为驱动电机提供电能并驱动车辆行驶，在汽车驱动行驶过程中，电机所提供的驱动转矩经传动系统传递给车轮，对路面产生一个与行驶方向相反的作用力，根据牛顿第三定律，路面会产生一个与行驶方向相同的切向反作用力，驱动车辆行驶，这个切向反作用力称为纵向附着力。路面所能提供的纵向附着力与路面纵向附着系数成正比关系。

当车辆在良好附着系数路面行驶时，纵向附着力足够大，此时电机驱动转矩越大，车辆的加速性能越好，爬坡能力也越强；但是当车辆在低附着系数路面行驶时，轮胎与路面间附着性能变差，当驱动转矩超过路面附着力时，驱动轮将发生滑转。

一般用滑转率来表示滑转过程中滑动成分的多少，滑转率可表示为。在纯滚动时，车速等于驱动轮轮速，此时滑转率=0；在纯滑动时，车速为零，此时滑转率=1；在边滚边滑时，滑转率为0<<1。

车轮滑转率与路面附着系数之间具有关联关系，即随着车轮滑转率从零开始增大，车轮与路面之间的纵向附着系数先增大后减小，存在一个最优滑转率对应峰值附着系数，而侧向附着系数则始终不断减小。驱动轮滑转主要发生在车辆运动纵向方向，因此对驱动轮进行驱动防滑控制时，只针对车辆的纵向运动进行研究。

为了获得最佳的驱动防滑效果，在纯电动汽车驱动防滑控制时应以最优滑转率为控制目标，将驱动轮滑转率控制在最优滑转率附近，以获得最大的纵向附着系数，从而提高车辆的加速性能和通过性能。

2 基于滑膜变结构的纯电动汽车驱动防滑控制

2.1 驱动防滑控制模型

只考虑车辆的纵向运动。在电动汽车驱动防滑系统设计时，为了简化系统，忽略空气阻力影响，将车辆模型简化为单轮模型，如图1所示。

2.2 基于滑模变结构的纯电动汽车驱动防滑控制

纯电动汽车驱动防滑系统以最佳滑转率为控制目标，对控制的精度和快速响应性有较高要求。驱动防滑控制系统实质上是一个非线性系统[1]，为了实现控制器在最短时间内对最佳滑转率实现正确跟踪，鉴于滑模变结构控制算法具有不依赖非线性系统的精确模型，控制响应快速度高等优点，该文采取滑模变结构控制算法[2-3]来设计驱动防滑控制器。

3 仿真分析

在Matlab/simulink软件中对所研究的驱动防滑控制算法进行仿真分析。整车质量1 000 kg，车轮半径为0.32 m，车轮转动惯量为1.1 kg.m2。以冰雪路面作为研究对象，此路面下的最佳滑转率为0.2，初始时给电机500 N·m的驱动转矩信号以使得驱动轮容易发生滑转，在无驱动防滑控制情况下，车速和轮速输出如图2所示；在滑模驱动防滑控制下，车速及转速变化如图3所示；有、无驱动防滑控制两中状态下滑转率对比如图4所示。

从图2中可以看出，在无驱动防滑控制下，轮速远偏离车速，驱动轮发生了过度滑转。从图4中可以看出，无驱动防滑控制下，驱动轮滑转率保持为0.8。针对驱动轮在冰雪路面发生过度滑转的情况进行驱动防滑控制，从图3中可以看出，在滑模驱动防滑控制下，轮速和车速之间保持收敛，未出现轮速远远偏离车速的情况；从图4中也可以看出，在驱动防滑控制下，驱动轮滑转率保持在0.2，实现了对冰雪路面最佳滑转率的准确跟踪。

4 结语

针对纯电动汽车驱动防滑控制问题，研究了基于滑模变结构的驱动防滑控制方法，并通过仿真分析进行了验证，对纯电动汽车的设计和使用具有一定的参考意义。

参考文献

[1] 赵治国.车辆动力学及其非线性控制理论技术的研究[D].西安：西北工业大学，2002.

[2] 谢利理，刘丽卓，郑新华，等.基于LuGre模型的飞机制动系统滑模控制[J].华中科技大学学报：自然科学版，2013，41（6）：65-69.

[3] 陈振，刘向东，靳永强，等.采用扩展卡尔曼滤波磁链观测器的永磁同步电机直接转矩控制[J].中国电机工程学报，2008，28 （33）：75-81.