四轮独立驱动电动汽车动力学控制发展概况及难点分析

徐秀娟

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

四轮独立驱动电动汽车动力学控制发展概况及难点分析

徐秀娟

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

对电动汽车的动力学控制的研究现状进行了分析，其中驱动力控制、制动力控制及稳定性控制是动力学控制的主要内容，而电液复合制动力分配及动力学集成控制是制约四轮独立驱动电动汽车动力学控制发展的难点。

电动汽车；动力学控制；发展概况；控制难点

安全性一直是汽车工业发展的重要主题之一。汽车的安全性一般分为被动安全性与主动安全性两方面，而车辆动力学控制则是提高车辆主动安全性的重要方法。目前广泛应用的动力学控制系统有制动防抱死系统（ABS）、驱动防滑系统（ASR）以及电子稳定性程序（ESP）。传统汽车的动力学控制系统一般是在检测到车轮偏离稳定性区域时，通过对个别车轮施加制动力矩来改善车辆的稳定性，但制动力会造成车辆速度损失，且具有明显的介入感；而电动汽车采用电驱动系统，电机响应快且转矩精确可控，并且可实现动力分散控制，提高了控制自由度，更有利于汽车动力学控制。

一、电动汽车动力学控制研究现状

汽车动力学控制的目的是通过对个别车轮施加一定的驱/制动力，让处于或即将处于不稳定状态的车辆保持在稳定区域内工作。因此可知动力学控制包含工作状态识别及动力学控制两个基本问题，本文主要关注动力学控制方面。

由于电机既可以施加驱动力矩，也可以施加制动力矩，因此电动汽车同时具有液压制动系统和再生制动系统，从而实现车辆的复合制动。根据两种系统的特点，实现复合制动的方式主要分为两种，一种是在传统的液压制动力的基础上再叠加电机的再生制动；另一种是对两种制动力进行分配，共同满足制动需求。无论是哪种制动方案，都需要满足以下几点功能需求：满足全工况下驾驶员的制动需求；提供良好的制动感觉；保证车辆的制动安全性和稳定性；提高能量回收效率。

驱动动力学控制系统的目的是防止车辆在起步、再加速过程中出现打滑，以维持车辆方向的稳定性。目前针对四轮独立驱动电动汽车的单轮驱动防滑研究[1]，主要集中在路面附着系数及最优滑移率辨识、车速估计以及驱动防滑控制算法三个方面。关于滑移率控制的研究主要以 PID 控制、门限值控制[2]为主，该类方法具有原理简单的优点，但需要大量的试验标定，且自适应能力差；此外也有研究人员采用更精确的控制方法，如最优控制，但其依赖于数学模型的精度，而鲁棒性好的滑模变结构控制[3]则会产生系统抖振。

四轮独立驱动的电动汽车为车辆利用直接横摆力矩控制来实现操纵稳定性控制提供了极其有利的条件，由于电机可以快速地在驱动/制动状态间进行切换，且转矩精确可控，转速精确可知，因此扩展了操纵稳定性控制能力范围。现在大多数研究采用的直接横摆力矩稳定性控制策略采取了分层控制[4]的解决方案：上层为运动跟踪层，由方向盘转角、油门踏板及制动力踏板解析驾驶员意图，计算出需求的横摆角速度及纵向力需求；下层为转矩分配层，将广义力分配到各个执行器，以实现对车辆的稳定性控制。

二、电动汽车动力学控制难点及解决方案

相比于传统汽车，电动汽车（尤其是多电机驱动电动汽车）具有更多的执行器及控制自由度，这些特点在带来控制更加精确、控制效果更好的优点的同时，也带来了更复杂的控制问题。

对于复合制动控制，液压力与电机的再生制动力分配[5]便是一大难点。为了达到在保证驾驶员需求制动力得到满足的前提下尽可能多地利用再生制动的目的，复合制动分配策略可以根据制动工况的不同，将制动过程根据一定的条件分为常规制动过程、过渡过程、防抱死制动过程三种工况考虑。常规制动过程应在充分考虑驾驶员制动需求的前提下优先进行电机的再生制动，若制动力不足再由液压制动进行补偿。在由常规制动进入防抱死制动的过渡过程中，根据车辆当前状态逐步减小电机再生制动在总制动力中所占比重，增加液压制动；在防抱死制动过程中，根据 ABS控制系统的需求采用相应的协调控制方法。

目前，对于电动汽车稳定性控制的研究大多只考虑了整车层面的侧向工况，而未考虑在进行直接横摆力矩控制时单个车轮的状态。由于在进行直接横摆力矩控制时轮胎有抱死及打滑的工况，且纵向力切换频繁，因此很可能会激活 ABS控制系统或 ASR 控制系统，此时由稳定性控制计算出的电机力矩与由 ABS或ASR 系统计算出的电机力矩会产生冲突，若不让车轮出现抱死或打滑，则势必会对稳定性控制产生影响，使得车辆无法跟踪期望横摆角速度或质心侧偏角。因此，车辆稳定性控制、车轮驱动防滑控制、制动防抱死控制等动力学控制系统的集成控制成为一大难点。在进行各控制系统的协调集成控制时，可以将驱动防滑控制与制动防抱死控制进行整合，转化为滑移率控制[6]，设计驱制动一体化滑移率控制方法；在进行车辆的稳定性控制时，对于下层的转矩分配控制，需充分考虑轮胎当前状态，在轮胎出现打滑或抱死情况时及时调整控制分配层的效率矩阵，尽可能满足上层运动跟踪控制的要求。

三、结语

根据以上分析，作者认为对于四轮独立驱动电动汽车，液压制动与电机再生制动的制动力分配控制是一大难点，在进行制动力分配时应在充分满足制动力需求的前提下尽可能地采用再生制动；此外，各动力学控制子系统之间的协调控制与集成控制将是电动汽车未来发展的一大主题，在各系统的工作区间发生冲突时，需建立有效的决策指标，避免各动力学子系统同时介入。

[1]杨宇,杨毅,余达太,等.电动汽车驱动防滑控制系统(ASR)的研究[J].自动化技术与应用.2004,23(2):29-32,35.

[2]梅景.逻辑门限值式汽车制动防抱死(ABS)的优化控制[J].中国科技博览.2015，(9):126-126.

[3]陈德海，付长胜，王一栋.汽车 ABS 系统智能滑模控制器的研究与设计[J].汽车实用技术.2015，(12):3-7.

[4]林程,徐志峰,周逢军,曹万科.分布式驱动电动汽车稳定性分层控制策略研究[J].北京理工大学学报.2015，(5):490-493.

[5]杨万庆.电子液压制动系统(EHB)发展现状[J].汽车与配件, 2007:41-43.

[6]冯彦彪，杨珏，季智燚，张文明.基于最优滑转率的电动车辆驱动防滑控制策略[J].农业工程学报.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 年度陕西省高等教育教学改革研究项目“高职院校完善专业人才培养质量保障与监控体系的研究与实践”（项目编号：15Z22）；2016 年陕西国防工业职业技术学院科研项目“基于职业岗位能力的机械产品检验员培训体系建设”（项目编号：GFY16-04）

徐秀娟（1968-），女，陕西礼泉人，陕西国防工业职业技术学院机械工程分院教授，高级工程师，研究方向：机械设计与制造。