蘭華，李蘭

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030012）

一種電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)防滑控制方法

蘭華，李蘭

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030012）

為了保證電動(dòng)汽車(chē)在直線加速行駛狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)性能及車(chē)輛行駛安全性，提出了一種驅(qū)動(dòng)防滑牽引力控制方法，分析了輪胎縱向附著系數(shù)與縱向滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系曲線，以使輪胎保持穩(wěn)定附著為控制目標(biāo)，基于期望滑轉(zhuǎn)率值給出了動(dòng)力輸出切斷的驅(qū)動(dòng)防滑控制策略。仿真結(jié)果表明，采用驅(qū)動(dòng)防滑控制后，輪胎打滑得以避免，車(chē)輛獲得更好的加速特性，驅(qū)動(dòng)防滑控制有效改善了車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)性能。

電動(dòng)汽車(chē)；滑轉(zhuǎn)率；牽引力控制；燃油汽車(chē)

目前，為了應(yīng)對(duì)能源和環(huán)境危機(jī)，新能源技術(shù)受到了日益廣泛的關(guān)注。而電動(dòng)汽車(chē)作為新能源領(lǐng)域的重要組成部分，其技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步具有重要的時(shí)代意義。與傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)相同，電動(dòng)汽車(chē)牽引力控制用以改善車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)性能，提升車(chē)輛行駛安全性。本文以驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠直接控制輸出轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)為基礎(chǔ)，討論了一種可用于電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)防滑控制方法。

1 驅(qū)動(dòng)防滑控制策略

基于前輪單橋臂電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的汽車(chē)，在直行加速情況下，車(chē)輛的側(cè)向速度和橫擺角速度均為0，此時(shí)，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)方程可表示為：

式（1）（2）中：m為整車(chē)質(zhì)量，u為車(chē)輛的縱向速度，F(xiàn)x1和Fx2分別表示地面作用于左、右前輪的縱向力，J為輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，w1和w2為左、右輪胎轉(zhuǎn)速，Tm為驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，為總傳動(dòng)比，η為傳動(dòng)效率，R為輪胎半徑，F(xiàn)z1和Fz2為左、右輪胎的垂直載荷，f為輪胎滾阻系數(shù)。

車(chē)輛輪胎所獲得的縱向驅(qū)動(dòng)力和其縱向滑轉(zhuǎn)率滿(mǎn)足一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，路面附著系數(shù)μ與滑轉(zhuǎn)率S關(guān)系曲線如圖1所示。由圖1可以看出，當(dāng)有驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩作用于輪胎使其產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)后，路面附著系數(shù)首先隨滑轉(zhuǎn)率的增加而增大至最大值，進(jìn)而開(kāi)始隨滑轉(zhuǎn)率的提升而減小。當(dāng)輪胎規(guī)格與路面類(lèi)型一定時(shí)，存在一個(gè)最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，使得當(dāng)前路面附著系數(shù)為最大，即輪胎獲得最大的縱向驅(qū)動(dòng)力。該最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值將μ-S曲線劃分為左、右兩部分，左半部分為穩(wěn)定附著區(qū)，右半部分則反映輪胎發(fā)生打滑。

圖1 路面附著系數(shù)與滑轉(zhuǎn)率關(guān)系曲線

當(dāng)駕駛員通過(guò)加速踏板給定較大加速意圖時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出過(guò)大，很容易造成輪胎打滑，即進(jìn)入μ-S曲線右半部分狀態(tài)。此時(shí)對(duì)于車(chē)輛而言，一方面輪胎磨損加??；另一方面，加速性能下降，不論從經(jīng)濟(jì)性還是安全性上看，都應(yīng)當(dāng)盡量避免這種工況出現(xiàn)。

為了引入驅(qū)動(dòng)防滑控制，通過(guò)動(dòng)力輸出切斷來(lái)限制驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的過(guò)度輸出，可以有效防止輪胎打滑，為車(chē)輛提供最優(yōu)驅(qū)動(dòng)性能。驅(qū)動(dòng)防滑控制策略為：

式（3）中：S0為預(yù)先設(shè)定的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率值，為駕駛員的操作給定轉(zhuǎn)矩，S1和S2分別表示左前輪和右前輪兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率。

由此可見(jiàn)，驅(qū)動(dòng)防滑控制策略要求先計(jì)算兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪當(dāng)前的滑轉(zhuǎn)率值，再與設(shè)定的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行比較。當(dāng)某一輪胎的滑轉(zhuǎn)率大于最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率時(shí)，認(rèn)為輪胎發(fā)生打滑。此時(shí)，切斷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出。當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率均在穩(wěn)定附著區(qū)時(shí)，電機(jī)按照駕駛員的操作意圖輸出相應(yīng)轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動(dòng)輪實(shí)時(shí)滑轉(zhuǎn)率按上述公式計(jì)算，其中，輪胎轉(zhuǎn)速ω1和ω2可由轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量得到，車(chē)輛的縱向速度u可根據(jù)從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速按照u=ωR計(jì)算得到。驅(qū)動(dòng)防滑控制策略的控制流程如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)防滑控制策略的控制流程圖

2 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證所討論的驅(qū)動(dòng)防滑控制策略，在Matlab Simulink環(huán)境中搭建了車(chē)輛及控制策略的仿真模型。仿真模型選取表1中的車(chē)輛參數(shù)，車(chē)輛輪胎力由魔術(shù)公式計(jì)算得到。

表1 仿真模型參數(shù)

仿真中選擇最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率S0=0.2，設(shè)定由駕駛員操作輸入的加速轉(zhuǎn)矩=30 N·m，采用式（3）中描述的驅(qū)動(dòng)防滑控制策略，仿真得到驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率如圖3所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出如圖4所示。為了評(píng)估驅(qū)動(dòng)防滑控制對(duì)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)性能的改善效果，對(duì)在相同條件下未施加驅(qū)動(dòng)防滑控制的車(chē)輛進(jìn)行仿真，得到驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率如圖5所示，兩種條件下仿真得到的車(chē)速變化情況如圖6所示。

圖3 采用驅(qū)動(dòng)防滑控制策略的驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率

圖4 驅(qū)動(dòng)防滑控制轉(zhuǎn)矩輸出

圖5 未采用驅(qū)動(dòng)防滑控制策略的驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率

圖6 加速性能對(duì)比

由圖3可以看出，采用驅(qū)動(dòng)防滑控制后，車(chē)輛驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的最優(yōu)值0.2附近，輪胎未發(fā)生打滑現(xiàn)象，由圖4可以看到根據(jù)驅(qū)動(dòng)防滑控制產(chǎn)生的輸出動(dòng)力切斷情況。由圖5可以看出，在未施加驅(qū)動(dòng)防滑控制的情況下，驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率迅速增大，超過(guò)了穩(wěn)定附著的界限，輪胎進(jìn)入打滑狀態(tài)。圖6顯示了兩種情況下車(chē)輛加速效果的明顯差異。仿真結(jié)果表明，采用驅(qū)動(dòng)防滑控制后，車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)性能得到了明顯提升。

3 結(jié)論

車(chē)輛直線加速行駛時(shí)，如果駕駛員給定的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩過(guò)大，可能使輪胎發(fā)生打滑，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)性能和車(chē)輛安全性降低。引入驅(qū)動(dòng)防滑控制策略，根據(jù)驅(qū)動(dòng)輪的實(shí)時(shí)滑轉(zhuǎn)率，在輪胎即將發(fā)生打滑時(shí)切斷車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力輸出，可以有效避免輪胎打滑的發(fā)生，有效改善了車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)性能。

［1］郭孔輝，王德平.汽車(chē)驅(qū)動(dòng)防滑控制理論的初步研究［J］.吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，27（03）.

［2］續(xù)丹，王國(guó)棟，曹秉剛，等.獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配策略研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，46（03）.

［3］N.Mutoh.Driving and braking torque distribution methods for front-and rear-wheel-independent drive-type electric vehicles on roads with low friction coefficient.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59（10）.

［4］范晶晶，羅禹貢，張弦，等.多軸獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力的協(xié)調(diào)控制［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，51（04）.

TP275

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.01.085

2095－6835（2018）01－0085－03

蘭華（1960—），女，四川瀘縣人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院機(jī)械制造專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)在太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院從事教學(xué)實(shí)驗(yàn)工作。

〔編輯：張思楠〕