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1、纯电动汽车及其操纵稳定性控制一、电动汽车的特点：电动汽车是指全部或部分以车载电池为动力源、符合道路交通安全法规各项要求的新型汽车，包括三种类型：纯电动汽车（Pure Electric Vehicle,简称PEV）、混合动力电动汽车Hybrid Electric Vehicle,简称HEV）燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle,简称FCEV）电动汽车与传统汽车一样也是由动力装置、底盘、车身和电器设备等4个部分组成。不同点主要集中在动力装置以及由于动力源的不同而需要的多能源动力总成控制系统，辅助能源系统和辅助控制系统。1.1纯电动汽车的工作原理基本工作原理如图1一
2、2所示。电池通过控制系统向电动机供电，在电动机中电能转化为机械能动力并传给传动系，最后传给驱动车轮，力图使驱动车轮转动，并通过与地面间的相互作用产生使汽车行驶的牵引力。1.2纯电动汽车的驱动方案电动汽车的动力性能与其驱动系统直接相关，当前驱动方案主要有四种：1、 机械驱动布置方案：2、 机电集成化驱动布置方式：3、 机电一体化驱动布置方式：这种布置方式最大的进步就是取消了机械式差速器，在左右两个双联式电机之间，配置了电子控制的差速器，用电子差速器来解决左右半轴的差速问题。4、 轮毅电机驱动布置方式：轮毅电机驱动布置方式的电机装在电动汽车的车轮轮毅中，直接驱动电动汽车的驱动轮。如图2.4所示。它
3、还可以对各个驱动电机进行相互独立的控制，有利于提高车辆转向灵活性和充分利用路面附着力。这种布置方式比以上介绍的各种布置方式更能体现电动汽车的优势。采用这种布置方式的驱动系统需要解决的问题就是如何保证车辆行驶的方向稳定性。轮毂电机示意图：1.3、电动汽车电机驱动系统分类与选择：1、 直流电机驱动系统、2、 交流感应电机（异步电机）驱动系统、3、 永磁同步电机驱动系统4、 开关磁阻电机驱动系统等。二、电动汽车操纵稳定性电动汽车从出现至今，研究的重点一直在于提高整车的燃油经济性和降低排放，而电动汽车的安全性能则较少被关注。汽车稳定性控制是通过车载控制系统实时调整车辆的运行状态，使车辆能够按照驾驶员的
4、意图行驶，并防止车辆失稳的汽车主动安全装置。真正意义上的汽车稳定性控制一般认为出现在1995年。在1995年，BOSCH公司提出了VDC（VehicleDynamic Control，汽车动力学控制）4的概念，Benz公司提出了ESP（ElectronicStablity Program，汽车电子稳定程序）的概念，丰田公司提出了VSC（Vehicle StablityControl，汽车稳定性控制）的概念，它们均采用了能直接测量汽车运行姿态的侧向加速度传感器和横摆角速度传感器，使得稳定性控制系统的应用范围大大扩展。目前市场上有许多提高汽车操纵稳定性的电子控制装置：电控悬挂、四轮转向（4WS）、
5、防抱死制动系统（ABS）、牵引力控制系统（TCS）、电子稳定性程序（ESP/VSC），以及集成了多种控制方式的车辆动力学控制（VDC/VDM）等。2.1 多电机电动汽车稳定性控制的研究现状： 2.1.1传统汽车与电动汽车动力学控制区别内燃机汽车的汽车的动力学控制系统根据给定的转向角和加速踏板位置，在牵引力控制系统的作用下，通过控制发动机转矩和车轮制动压力，调节各车轮牵引力产生一个横摆力矩，使汽车实际运动状态与期望运动状态一致。四轮独立驱动电动汽车的控制系统则根据检测到的转向角和加速踏板位置直接控制各车轮转矩输入，使汽车运动达到期望状态。2.1.2 多电机汽车稳定性控制稳定性控制对于汽车的性能和
6、行驶安全都具有重要意义。未来的电动车必然会装备次系统。而电机之于内燃机的显著不同，赋予了多电机驱动的电动车在稳定性控制领域天然的优势。表现在：（1） 首先是轮毂驱动电动车无需发动机、变速器、传动轴等部件，驱动电机也是安置在轮毂中，节省了大量的空间以便布置电池以提高车辆的续驶里程；（2） 电机的扭矩的响应时间很短，扭矩的大小很精确。电机扭矩的响应时间大约是几毫秒，是传统内燃机或者是液压系统的10-100倍；（3） 各个电机扭矩独立可控且易于测量。利用后两个优点，就可以通过独立控制各个电机的扭矩产生纵向力的方法来改变作用在汽车上的横摆力矩，提高汽车的操纵稳定性。独立的电机驱动系统为实现直接横摆力矩
7、的控制奠定了良好的基础。国际上的一些研究机构根据电机的上述优点将多电机驱动的电动车的控制研究分为两个内容：（1）“电子差速”，即如何在车辆转向过程中协调各电机的运动，使得各驱动力能够按照运动约束具有不同的转速。如Ju-Sang Lee6等人，以转向几何或经验模型为出发点，进行驱动轮速度开环或闭环控制；（2）以车辆动力学方程为出发点，引入横摆角速度等运动参量，通过适当的转矩分配实现对电动汽车的横向运动控制甚至横、纵向集成控制，目前此类研究已成为主流。日本东京农工大学永井正夫(Masao Nagai)7实验室对于多电机电动车的直接横摆力偶矩控制、四轮转向与DYC集成控制、主动转向与DYC的集成控制
8、等方法进行了大量仿真研究，控制器设计主要采用线性二次型最优调节器进行显模型跟踪。东京大学的崛阳一(Yoichi Hori) 在UOT Electric March上进行了大量的运动控制研究，主要方法是DYC与每个车轮的“快速响应闭环”(实际上即是TCS/ABS)的结合，为此该车安装了光纤陀螺仪等传感器以检测车辆的横摆和侧向运动。主要研究了基于March II的鲁棒的模型匹配控制方法、横摆力偶矩控制及其与车轮防滑控制结合下的横向运动控制。有力的证明了多电机独立驱动电动车在运动控制方面的优越性。日本庆应义塾大学环境信息学部清水浩4教授领导的电动汽车研究小组在过去的十几年中，一直以轮毅电机型电动汽车
9、为理想的研发目标，至今已试制了五种不同型式的样车。轮毂驱动式的电动汽车越来越引起人们的注意，各大汽车厂商也不断投入资金进行研发，如丰田的FINE-N和PM、日本庆应大学研制的ELIICA、以及GM公司研究制的雪佛兰S-10等。国内，由同济大学汽车学院与上海燃料电池汽车动力系统有限公司于2002年8月，采用全部国产零部件，率先试制成功一台由四个直流无刷轮毂电机独立驱动的四轮驱动燃料电池微型电动汽车动力平台“春晖一号”。2003年同济大学又推出“春晖二号”。2004年最新推出“春晖三号”线控转向四轮驱动燃料电池汽车。2.2、稳定性控制方法和策略电动汽车的稳定性控制可以归结成两个主要方面：（1） 间
10、接稳定性控制：以车轮和地面的相对运动（通常指车轮滑动）为控制对象。通过轮胎对附着力的最佳利用保证车辆的稳定行驶。（2） 直接稳定性控制：直接以车体运动参量特别是横摆角速度、侧偏角等为控制对象，从整车动力学入手提高车辆稳定性。 为了能够从整车动力学角度对车辆进行自动控制，车辆稳定性控制经过了从 4ws四轮转向到ABS制动防抱系统 /ASR驱动防滑系统或TCS 牵引力控制系统，然后发展到VSC(vehiele StabilityControl)/VDC(VehieleDynamieControl)/ESP(EleetronicStablityProgram)等的发展历程，逐渐实现了能够在各种工况下
11、提高车辆的动力学性能。目前研究比较多的是改变内、外侧车轮驱动力(或制动力)分配的控制方式即直接横摆力矩控制。三、多电机电动汽车模型的建立：研究对象是在以某微型车为原型车的基础上改造后得到的四轮驱动的电动汽车。通过对结构的分析，在原型车模型的基础上建立电动汽车的整车动力学仿真模型，其中包括电机的选取以及电机模型的建立，针对所建立的整车模型进行操纵稳定性的分析，为控制策略的开发做准备。3.1 电动汽车模型的建立3.2 电动汽车的电机选型及其模型的建立对多电机驱动的汽车，暂不考虑电机与制动系统的联合控制，而仅用电机作为横摆力矩伺服。电机作为电动汽车的动力源，因此，在汽车行驶的每一瞬间，电机发出的功率
12、应始终等于机械传动损失功率与全部运动阻力所消耗的功率之和。即：下表是不同牵引电机的比较：通过对上述四种电机的比较，根据需要选择电机作为四轮驱动的电动汽车电机建模对象。选取电机，建立电机的数学模型四，线性两自由度参考模型的建立 一般是通过线性二自由度车辆模型来计算得到车辆理想的横摆角速度和理想的质心侧偏角。整个控制系统的设计是以线性二自由度单轨车辆模型为基础的。由于设计的控制系统是根据不同的控制算法对车辆施加附加的横摆力矩，故线性二自由度车辆模型运动方程修正如下:Mz为附加的横摆控制力矩。五、电动汽车稳定性控制变量和控制方法的选取 （1）质心侧偏角：能够表征车辆的轨迹保持问题。（2）横摆角速度：表征车辆的稳定性问题它们是描述车辆运动状态的重要参数，从不同侧面表征了车辆的稳定性。故在控制系统的设计中，选取质心侧偏角和横摆角速度作为主要的控制变量。目前的主要控制方法：（1） 逻辑门限值控制、（2） 普通Pid控制、（3） 以及基于数学模型状态控制或最优控制、（4） 模糊控制、（5） 滑膜变结构控制、（6） 自适应控制六、电动汽车稳定性控制器的设计车辆的质心侧偏角和横摆角速度是车辆稳定性的两个重要状态变量。可以运用选取的某种控制理论，以线性二自由度车辆模型为基础，进行电动汽车稳定性控制器的设计。基于控制策略的不同，可以单独控制这两个变量，也可以将质心侧偏角和横摆角速度联合进行控制。
