基于线控全轮转向驱动的轮毂电动汽车操控稳定性研究-文献综述.docx

《基于线控全轮转向驱动的轮毂电动汽车操控稳定性研究-文献综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于线控全轮转向驱动的轮毂电动汽车操控稳定性研究-文献综述.docx（11页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究文献综述摘要：采用电机直接驱动车轮的轮毂也动汽车是未来汽车极具潜力的发展方向，针对4WIS、4WID轮毂电动汽车操控稳定性控制的发展和国内外研究现状，本文进行分类综述。首先，介绍了轮毂电动汽车的驱动结构和控制特点；其次，对国内外关于轮较电动汽车展开的研究进行简要介绍；再次，针对当前轮毂电动车在稳定性控制上取得研究进展进行了分类概述，并指出了当前研究存在的一些问题；最后，对轮毂电动汽车在稳定性控制领域今后的研究方向与趋势做了简要的展望。关键词：四轮独立驱动；四轮独立转向；轮毂电动汽车；稳定性控制1 .绪论近年来，迫于能源与环境的双重压力，推

2、动新能源汽车产业的快速发展已经成为全球各个国家推进交通能源战略转型的重要措施。特别是在国际金融危机后，为抢占新一轮经济增长的战略制高点，主要汽车工业发达国家纷纷加大对电动汽车的研发投入并且加强政策支持力度。其中，轮毂电动汽车由于采用颠覆性的分布式驱动，从而备受关注。轮毂电机将电机置于车轮轮毂位置，电机与车轮组成一体，车轮直接由电机驱动，没有传统内燃机汽车笨重的机械传动系统，且其体积小、比功率大，具有很高的传动效率，可大大简化整车机构和降低整车重量及重心，从而减少电动汽车电池消耗和提高电动车稳定性。四轮独立驱动轮毂电机电动汽车是未来电动汽车重要发展方向。由于四轮驱动力矩独立可控、转矩转速易于测得

3、，因此在稳定性节能方面相对于传统汽车具有显著的控制优势；与此同时，车辆具有更多可控自由度，能减少了对额外传感器和执行器的依赖，便于实现SBW、SBB.SBD、TCS、DYCASR、ESP、AFS等主动安全技术的集成控制，能显著增强极限工况下车辆稳定性储备裕度，从而使车辆拥有更佳的主动安全性。因此，业界亦将轮毂电车称之为电动汽车的终极驱动形式。目前，轮毂电动汽车尚处在研发中，国内外许多高校企业都投入了大量精力，也取得许多喜人的研究成果，但是其距离实际量产依旧还存在许多关键技术难题，其中最为迫切的是轮毂电动汽车操控稳定性研究。车辆的操纵稳定性是指在驾驶员不感到过分紧张、疲劳的条件下，车辆能遵循驾驶

4、员意图行驶的能力，且当遭遇外界干扰时，车辆能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力，主要强调车辆对侧向动力控制，它是决定极限转向等情况下车辆安全性能的主要因素，也是车辆动力学品质最基本的保证，因此稳定性控制是车辆动力学控制的核心内容。与传统集中式驱动车辆不同，由于采用了分布式驱动机构,轮毂电动汽车各轮相对独立，增加了驱动轮的运动自由度,这就使得四轮毂独立驱动电动汽车的转矩协调控制成为稳定性控制亟待解决的关键技术之一。此外，各执行机构间原本的机械约束作用消失，导致了各大执行系统的结构属性模糊，当多个子系统同时作用时，由于车辆的耦合特性，加剧了原本就存在执行器复用共生问题，使得此类问题更加复杂，对整车稳定性

5、控制带来了严重的消极影响。例如，由于差动驱动造成的差动转向效应，使驱动系和转向系之间存在着严重的目标冲突与干扰。同理，传统汽车上利用差动制动原理实现的稳定性控制系统，也难以通过平台迁移实现对轮毂电动汽车的稳定性控制。简而言之，轮毂电动汽车稳定性控制需要着重解决的就是执行器分配控制，以及避免执行器复用共生等一系列问题。2 ,轮毂电动汽车国内外研究现状分布式驱动轮毂电动汽车在稳定性、主动安全控制和节能方面相对于传统汽车具有显著的控制优势，因此国内外针对分布式驱动电动汽车进行了大量的系统研究和实验车辆开发，为动力学系统研究提供可靠平台。最早的轮毂电机驱动电动车源于保时捷的大胆设想,其取消原有的发动机

6、与动力传动系统，采用两个内置前轮的电机直接驱动。如今，轮毂电动汽车在电子稳定控制、系统集成等方面有了长足进步。例如，针对不同应用需求，日本庆应义塾大学分别开发了高速型和高动力型二款八轮独立驱动电动车“EHica”，如图1(a),进行了一些列的牵引控制研究；三菱汽车(MitSUbiShiMOtor)公司利用轮毂电机力矩独立控制的特点进行动力学稳定性控制，推出了MIEV概念车叫东京大学HOri教授门则基于现有量产车开发了四轮驱动的概念电动车“UOTElectricMarch”；东京农工大学永井正夫教授所领导的实验室为研究DYC与SBW集成控制，提出了轮毂电机驱动的NOVEL系列微型车技术解决方案；

7、美国通用公司皿相续开发了后驱轮毂电机驱动雪弗兰轻型概念车Hywire和氢燃料轮毂电动汽车SeqUe,如图1(b)；美国俄亥俄州立大学E在所开发的四轮轮毂电动汽车上，重点研究驱动和再生制动模式下的力矩分配和节能控制。除了民用领域外.通用公司开发了新一代多轮驱动“悍马军用车，极大的改善了车辆的经济性和动力性,减小补给压力。为保持舒适性和操纵性,通过对驱动、转向、制动、悬架在车轮单元的集成，瑞士VoLVOg和法国米其林网分别推出了提出的ACM(AutonomousCornerModule)和activewheelmotor概念车轮总成。由此可见，轮毂电动汽车己被世界视为未来电动汽车领域发展的重要方向

8、。(a)(b)(c)图1典型分布式驱动轮毂电动汽车国内针对分布式驱动电动车也开发了相应的试验平台并进行了相应的稳定性、平顺性等研究。例如，同济大学相继开发了春晖一号、春晖二号和春晖三号等分布式驱动电动车;清华大学2.针对城市个人短途工况设计了满足相应实用性和经济性要求的微型分布式驱动电动车“哈利”；吉林大学g网为了进行线控轮毂电动车集成控制方法研究，设计了全线控轮毂电动车平台，如图1(C)；此外，上海交通大学四、山东大学四等大学及科研所也针对分布式驱动电动车研究进行了实验样车开发。综上所述，虽然目前国外不少机构针对轮毂电动汽车不同领域研究提出的一些产品级解决方案，但是实际上这种汽车的结构极其复

9、杂，迫于安全和可靠性的原因，现阶段还远远达不到的民用化水平。相比之下，我国对于四轮驱动轮毂电动汽车研究与国外都存在着较大的技术差距，总体上还处于起步阶段。因此，要充分发挥四轮独立驱动、四轮独立转向轮毂电动车拥有的驱动结构优势，还需在稳定性与节能控制等方面进行深入的理论研究和实践探索，开展细致、深入、系统的研究，这将对轮毂电动车稳定性电控系统产生深远影响，对未来智能汽车形式都将起到推动性意义。3 ,轮毂电动汽车操控稳定性国内外研究现状3.1 控制策略研究现状与趋势车辆稳定性主要强调对车辆侧向动力学特性的控制，即通过对轮胎侧向力的合理控制，以达到期望的车辆横摆稳定性。事实上，侧向动力学是一个异常复

10、杂的非线性问题，执行器难以精确地控制侧向力，即目前尚无任何技术能够实现对侧向力的直接控制，这是困扰车辆稳定性研究的关键。幸而，车辆轮胎动力学的内在耦合特性，使得侧向力学特性与纵、垂向动力学之间耦合在一起。因此，车辆稳定性控制的关键问题，便是通过对轮胎垂向力、纵向力的合理分配，使车辆状态远离失稳边界，从而提升车辆稳定性裕度，同时增强车辆主动安全性。目前，采用的控制方法相应分为三类：主动转向控制(AWS)、侧倾刚度控制(RSC)和直接横摆力矩控制(DYC)。AWS作用于轮胎线性区，而在非线性区的效果并不明显。由于受到轮胎非线性饱和因素影响，其单独控制效果无法得到本质上的提升。RSC主要利用轮胎侧偏

11、刚度与垂向力的非线性耦合关系，通过调节悬架侧倾刚度，产生期望侧倾力矩来提高操纵稳定性；该类方法严重依赖于主动或半主动悬架技术(ASS),在载荷转移明显时才具有效果。总体上适用工况较窄，且依赖尚未成熟主动悬置技术，应用较少。DYC利用轮胎纵向力和侧向力间的非线性耦合关系，通过驱动或制动使各轮产生纵向力差，产生直接作用于车辆的横摆力矩。得益于DYC控制在位姿调整的上的显著效果，该类控制方法在车身稳定性系统(ESP、VSO得到了良好的运用，主要用于在极限工况介入提升整车安全性，逐渐成为目前车辆上主流稳定性控制系统。现有的集中式驱动汽车电子控制系统一般都由不同的厂商在不同时期分别开发和提供，并往往围绕

12、提高某一特定性能指标或实现某一特定控制目标而设计。各个子系统缺乏甚至也无法考虑与其它系统之间的协调，因而相对封闭和独立，自成一体。当多个控制子系统同时作用时，彼此缺乏协调，由于车辆的耦合特性，容易产生冲突和干扰僮L主要表现同一控制目标往往可以通过一个或若干个不同执行机构以不同的控制系统来实现;而同一控制变量也往往可以用于不同的控制系统以实现不同的控制目标；同时，汽车在三维空间六个方向上的动力学耦合使得一个控制系统的输入将对其它系统产生干扰或制约，即使不同控制系统的控制目标不同，也有可能因为车辆动力学的耦合产生冲突。相比之下，轮毂电动汽车取消差速器、转向梯形等机构，各轮之间缺少有效的机械收束作用

13、，致使传统汽车原有的结构属性变得模糊。传统汽车上的稳定性控制系统，例如DYC、VSC、ABS、AFS、ARS、TCS等技术，在轮毂电动汽车上存在着更为严重的执行器复用共生问题，从而不能通过简单移植实现车辆操纵稳定性控制。因此，稳定性控制系统的集成研究成为当前轮毂电动汽车稳定性控制研究的热点，并相续产生了三大类集成控制策略，依次是；基于信息共享的集成控制策略、基于仲裁协调的集成控制策略、基于子系统功能融合的集成控制策略。1)基于信息共享的集成控制策略早期的集成控制主要利用信息共享实现,其特征在于各大子稳定控制系统的决策器相互独立，通过总线相关联后，利用信息共享达到一定的集成效果。例如，丰田的Ki

14、ZIl闾等人通过分析汽车各子系统间的耦合关系，推出概念车FXV-II(FutureexperimentalVehicle-II),通过信息共享实现了主动空气悬架、主动后轮转向、带限滑差速的全时四驱控制与牵引力控制、防抱死制动系统、自动巡航与跟随的集成控制。同样，丰田的Satom25J等人提出交互式自适应控制的概念，使用所有相关系统的状态计算特定系统的目标值，并在CELICA和SoARER上进行了应用。利用交互式自适应策略，三菱的Mitamllra网等人实现了对制动和转向集成。TaheM切等在设定ABS最优滑移率时考虑了车轮转角的影响，以改善强制动大转角时车辆稳定性。2)基于仲裁协调的集成控制策

15、略利用仲裁策略与算法对子系统进行协调的集成策略，多通过设置额外的协调控制器实现。例如，GllVenC28等对主动转向和差动制动的协调控制做了初步研究，二者共同作用时，通过给定的分配系数将附加横摆力矩分配至两个系统。Delphi的BedlIerw等通过设置SUPerViSOry控制单元对4WS与VSE进行了协调控制，其策略为优先使用主动转向干预，当主动转向能力不足时使用主动制动进行干预。Ford的BlIrgi。刖1等利用系统反馈线性化方法对AFS和ESP进行协调控制，当AFS达到饱和后，剩下的稳定横摆力矩由主动制动来实现。同济大学姜炜明等根据侧向加速度划分AFS和DYC的作用域，随着侧向加速度的

16、增大，依次采用AFS单独作用、AFS与DYC共同作用、DYC单独作用。余卓平闾等设定多个行驶工况并通过分析规定各工况下使用的执行器对AFS与ESP进行了集成，当AFS与ESP共同作用时，通过依据工况确定的权重系数计算各自应承担的控制量。HWang网采用侧偏角相平面图判断当前车辆状态，当车辆处于稳定范围内时使用AFS,当车辆即将失稳时同时使用AFS与ESP。SUnderIand大学的RengarajE等研究了AFS、ASS、ESC和可变驱动分配系统(VTD)的集成控制系统，研究分析了子系统各自的工作区域，通过基于模糊规则的协调控制器协调各子系统。3)基于子系统功能融合的集成控制策略将子系统的车辆状态功能集成到独立的集成控制器协调集成方法，只保留执行器的执行分配控制功能，子稳定系统的决策功能集中到了集成控制中。通用公司的FrUeChteE等人就提出了基于功能集成的汽车转向、制动、动力传动和悬架的集成控制概念。Boada州等不依赖车辆模型，通