基于线控全轮转向驱动的轮毂电动汽车操控稳定性研究-开题报告.docx

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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一、选题背景及意义1.1 选题背景安全、节能与环保是汽车发展的方向和永恒主题，尤其在交通事故频发、世界能源紧张和环境日益恶化的今天显得格外重要。电子化、智能化、电动化、可再生化是实现安全、舒适、节能、环保的有效措施和手段。电动汽车作为一种新型交通工具，在缓解能源危机，促进人类与环境的和谐发展等方面具有传统内燃机汽车不可比拟的优势。因此，发展新能源汽车产业对于推动产业结构调整、促进节能减排、加快经济发展方式转变具有重要意义。近年来，迫于能源与环境的双重压力，推动新能源汽车产业的快速发展己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

2、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世界各个国家的汽车研究单位以及高校也纷纷关注纯电动汽车的研究和开发，并且取得了许多重大的研究成果。目前，站在中国工业2025转型升级的重要节点上，发展新能源汽车工业已成为“十三五”既定国家战略，并确立了以推广纯电驱动为主的跨越式技术发展路线。在此格局下，开展纯电动汽车基础技术研究，对实现我国汽车工业在新能源领域的弯道超车格外重要。当前，传统集中式驱动燃油车的电动化改造已取得阶段性成果，并相续有量产的混合动力和纯电动汽车推出市场。此类电动汽车依赖集中式驱动结构，通过动力源电机

3、化，并借助差速器和分动器实现二轮或全轮驱动。显然，这种对传统车辆结构的简单继承，除电机外特性曲线有所改善外，车辆驱动方式并未发生实质性改变，整车动力学品质和舒适性、经济性等改善较为有限，未能充分体现电机驱动技术优势。相比之下，采用分布式独立驱动、转向的轮毂电机驱动电动汽车（下称轮毅电动汽车），省略了传动系统，利用电机直接驱动车轮，各轮的运动状态相互独立。因此轮毅电动汽车从根本上颠覆了汽车驱动方式,为汽车运动和控制带来全新可能，成为极具潜力的汽车技术。图1分布式驱动轮毂电动汽车及其驱动单元1.2 选题意义轮毂电动车能量传递环节少，能从根本上提高能源利用率，通过转矩的协调分配可实现节能控制；省略了

4、传统汽车传动系统，增大了乘坐空间，简化了整车结构可实现底盘灵活布局，对汽车整备质量轻量化贡献较大，可显著减低制造成本，并进一步增加电动汽车续驶里程；车辆具有更多可控自由度，减少了对额外传感器和执行器的依赖，便于实现SBW、SBB、SBD.TCS、DYC、ASRESP、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

5、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网，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。由于采用分布式驱动，轮毂电动汽车各执行机构间不存在确定的机械约束，因此整车牵引控制效果依赖于各执行机构的协调，其结构形式与传统汽车相差巨大。虽放宽了对控制系统设计的限制，却对控制系统提出了更高的要求。主要差异表现在四轮独立转向、四轮独立驱动、四轮独立制动的轮毂电动车是过驱系统，需要对四个独立驱

6、动、独立转向的车轮进行转矩分配和转角控制，以满足对车辆横摆角速度、质心侧偏角、纵向速度等状态变量的跟踪控制，即Cv=X,.,x2执行器输出变量与X，匕被控状态变量之间是映射关系不唯一，系统自由度高度冗余；同时，传统的围绕着某一特定控制目标设计的稳定性控制系统相对封闭独立，当多个子系统同时作用时，由于车辆的耦合特性，控制目标间普遍存在冲突与干扰，从而难以通过平台迁移实现轮毂电动车稳定性控制。理论上，轮毂电动汽车虽然相对于传统汽车有巨大优势，但实际由于轮毂电动汽车的相关研究与传统汽车的研究问题完全不同，因此，必须研究新的理论来支撑轮毅电动汽车操纵稳定性研究。本课题围绕着4WIS、4WID轮毂电动汽

7、车，以整车动力学控制为理论基础，探讨考虑执行器动态特性的分配控制方法，基于全轮主动转向与转矩分配集成控制，进行轮毂电动汽车操纵稳定性和控制策略研究。二、国内外研究现状和发展趋势2.1 轮毂电动汽车发展和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

8、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2(a),进行了一些列的牵引控制研究；三菱汽车(MitSlIbiShiMotOr)公司利用轮毅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；东京大学Hori教授睽】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；美国通用公司”01相续开发了后驱轮毂电机驱动雪弗兰轻型概念车Hy-Wire和氢燃料轮毂电动汽车Seque,如图2(b)：美国俄亥俄州立大

9、学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VOLVO和法国米其林可分别推出了提出的ACM(AutonomousComerModule)和activewheelmotor概念车轮总成。由此可见，轮毂电动汽车已被世界视为未来电动汽车领域发展的重要方向。(a)(b)(c)图2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

10、如，同济大学印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M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2(c)；此外，上海交通大学四、山东大学网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笈杂，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

11、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。2.2 轮毂电动汽车操纵稳定性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，

12、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(RSe)和直接横摆力矩控制(DYC)OAWS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

13、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

14、，彼此缺乏协调，由于车辆的耦合特性，容易产生冲突和干扰入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，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

15、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。D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KiZUI221等人通过分析汽车各子系统间的耦合关系，推出概念车FXV-11(FutureexperimentalVehicIe-II),通过信息共享实现了主动空气

16、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SatOl23251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CELlCA和SoARER上进行了应用。利用交互式自适应策略，三菱的MitamlIra闺等人实现了对制动和转向集成。Taheri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，GUVeIIC12W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Bedner同等通过设置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