電動客車電子穩定性控制技術研究

鄭州宇通客車股份有限公司 河南省鄭州市 450000

摘要：隨著國內對于新能源汽車扶持政策的推行，國內新能源汽車技術正在快速發展，電動客車以其獨特的自身優勢也開始逐漸走上新能源客車的大舞臺。電動客車的應運而生，對城市工況的適應性強，制動能量回收效率高，夜間可長時間充電，零污染，無噪聲加之作為純電動車底盤布置靈活，傳動效率高的特點，使得電動客車成為公交車市場的新寵。鑒于此，本文對電動客車電子穩定性的控制技術進行了分析探討。

關鍵詞：電動客車；電子穩定性；控制

一、電動客車的國內研究現狀

近年來，隨著電動汽車在技術獲得了巨大的突破，全球電動汽車市場正呈現一片利好的形勢。截止到2014年底，國內的電動汽車銷量已超過10萬，越來越多的傳統汽車生產商，不僅包括一汽、東風、上汽、北汽、廣汽等這些國內汽車業巨頭，還有吉利、長城、長安、奇瑞、江淮、比亞迪、海馬等，這些國內汽車領域內的逐漸成熟的民營企業們也是開始大力發展電動汽車，甚至還有鄭州比克、恒天汽車、北京長城華冠、BDNT等新能源汽車新秀，他們也為電動汽車的推廣和技術進步做出了卓越的貢獻。就電動客車這一車型而言，目前宇通汽車目前已研制出8—18m長的各型純電動客車，其中大部分車型已搭載超過120kw的電機在鄭州市以及其他城市運行。據稱宇通的8m和10m的純電動客車產品動力性能滿足最高車速達到85km/h以上，這對于8t以上的電動客車來說是一個相當驚人的成功。而從銷量數據來看，宇通的純電動客車的年銷量在5000輛以上，占了宇通公司全部客車產品的10%以上，這標志著國內電動客車技術已經達到了行業領先水平。

一汽客車研制的超過12m長的混合動力汽車，上面搭載的大功率電機和大容量電池已經在長春市的主要線路上運行了至少兩年時間，目前在長春市的馬路上這種新能源電動汽車隨處可見。不僅如此，一汽新研發的價值100多萬的純電動公交車也已經在160路快速公交線路上投入使用，目前從各項指標來看，這些電動汽車均運轉良好，這些標志著一汽在新能源電動汽車上獲得的成功。

第三個在電動客車方面取得顯著突破的就是東風揚子江客車。揚子江客車生產的8m級純電動客車產品，已經能滿足學校、企事業單位員工通勤的使用需求，不僅滿足了整車零排放的需求，還在車身結構上做了大量的研究，使得整車能夠最合理的匹配和安裝電池數量，達到最佳的運營效果。此外，揚子江客車的高安全可靠性、運行平穩性、安靜舒適的特性與其他客車相比都有了比較大的改進和革新，續駛里程指標完全符合城市路況。

二、電動客車電子穩定性控制系統設計

1、參考模型

駕駛員輸入踏板信號和轉向盤信號，通過踏板實現自己的駕駛意圖，車輛控制器的目

標是準確獲取駕駛員的信號輸入，精確計算車輛的運動狀態參數，并保證計算過程的精確

性。為了保證上述控制器的需求，本文控制器設計的過程中兼顧模型的準確性和實時性，

參考模型選擇二自由度單軌模型，這么模型是為了考察汽車橫向操縱穩定性的基本特性，

對線性二自由度的車輛模型進行如下假設：

建模時忽略轉向系統的機械結構和傳動效率影響，直接以前輪轉角或者轉向盤轉角加上角傳動比作為輸入；二自由度建模假設懸架是剛性的，認為車輛質心只有水平面上的運動；在仿真步低于0.01s的條件下，在一個仿真步長的范圍內，認為汽車的縱向速度不變；為準確估計駕駛員的意圖，獲得精確的車輛狀態參數，汽車的側向動力學處在線性范圍內，前后輪胎的側向力與側偏角成正比例關系；汽車模型簡化成單軌自行車，自然就忽略了空氣阻力，包括車輛轉向時的橫向載荷轉移也不復存在。由此建立由前后兩個只考慮側向彈性的輪胎，受到地面的縱向力和側向力可以產生橫擺運動的理想化汽車模型如下：

上式中：為汽車的質心側偏角（rad），fk為汽車等效前軸的側偏剛度（N/rad），rk為汽車等效后軸的側偏剛度（N/rad），eM為整車整備質量（kg），u為汽車的縱向車速（m/s）；fl為模型質心到前輪輪心的距離（m），fl為模型質心到后輪輪心的距離（m），為模型的橫擺角速度（rad/s），為輸入前輪轉角（rad），zzI為汽車繞z軸轉動慣量（2kgm）。

3.2狀態參數估計

在上文中，建立了車輛的參考模型，根據參考模型我們可以獲得車輛的目標參數：目標橫擺角速度和目標質心側偏角。在成熟的車輛ESP穩定系統中，我們不僅需要通過各種關鍵參數來估計車輛的橫擺角速度，如基于轉向角、側向加速度、輪速、滑移率等參數，還需要一個橫擺角速度傳感器直接獲得車輛的實際橫擺角速度信號，而由于質心側偏角傳感器成本比較且現在市場上的質心側偏角傳感器精度有限，所以通常實車ESP系統中不會安裝質心側偏角傳感器，而是用側向加速度傳感器代替，然后用基于側向加速度和輪速的方法獲得質心側偏角的值。本文的仿真模型直接通過理想的單軌模型獲得車輛的目標橫擺角速度和質心側偏角。

3.2.1橫擺角速度

汽車的橫擺角速度是表征汽車動力學狀態的最重要信號之一，也是進行車輛動態控制最關鍵的參數之一，所以對于準確獲取車輛橫擺角速度信號是VDC控制的重點內容。獲取橫擺角速度的信號主要有一下幾種方法：（1）對于安裝ESP控制系統的車輛，安裝在車輛質心附近的橫擺角速度傳感器是必不可少的，在車輛運動時可以精確任意時刻的橫擺角速度；（2）通過控制模型里的簡化的參考車輛模型也可以直接獲得參考的橫擺角速度；（3）本文中建模時，車輛的橫擺角速度是15自由度整車模型的自由度之一，所以直接通過整車的動態模型可以獲得車輛實時橫擺角速度，第二章中通過模型驗證已經驗證了15自由度整車模型中的橫擺角速度信號是正確的；（4）基于轉向盤轉角和左右輪的輪速差，估計車輛的橫擺角速度，在此基礎上可以引入車輛的側向加速度進行修正。其中基于阿克曼轉向理論的橫擺角速度的基本形式為：通過前輪輪速差的估計算法為：

通過前輪輪速差的估計算法為：

上面的公式可以看出，在車輛轉向時，要想準確的表達內外輪車速需要考慮兩個方面

的因素，一方面是輪速是否與車速成正相關關系，車輪是否抱死；另一方面是輪胎半徑

0r是否準確，轉向時左右車輪的載荷轉移問題；因此為了準確的表達輪速、車輪半徑以及橫擺角速度之間的關系，還需要考慮到縱向加速度和側向加速度對于車輪的影響，加入了加速度修正的橫擺角速度估計算法為：

其中，xaK為對應于縱向加速度的橫擺修正系數，yaK為對應于側向加速度的橫擺修正系數。

3.2.2路面附著率

路面是研究車輛動力學中不容忽視的要素之一，車輛在路面上行駛，只有四個車輪與地面接觸，也就意味著輪胎與路面之間作用力是車輛完成一切運動的基礎。當然輪胎與路面的之間的作用力不僅僅取決于路面狀況，是冰雪路面還是瀝青路面；還取決于輪胎性能，是冬季雪地胎和還是四季胎。不管是輪胎還是路面，我們關注的是他們之間的作用力，所以選擇將附著系數或者說附著率作為考察的重點，在第二章中已經分析了輪胎的受力模型，四個輪胎最基本的受力情況用數學模型表達為：

其中縱向附著系數可以用縱向力除以垂向力獲得，所以由3.15式變形可以得到附著率的表達式

基于這個理論，本文的路面附著率的識別控制路徑如下：

針對以上控制流程圖3.1的說明：其一，本流程圖的識別基礎是把路面劃分為三種，附著系數為0.2左右的低附著路面，0.5左右的中附著路面，0.9左右的高附著路面；其二，估算車輛速度的過程中，四個車輪的打滑或者劃轉按照對角交叉控制，也就是說通過這種方式要保證四個車車輪始終有對對角上的兩個輪處在小滑移率范圍內；其三，滑移率的門限值確定基于第二章中的三種路面的上的輪胎特性曲線。

結束語

作為客運車輛，電動客車的安全性自然受到業內人士的重點關注。本文圍繞電動客車的主動安全技術進行了深入的研究，通過建模分析和硬件在環仿真兩個方面驗證了電機作為執行器的ESP控制系統在雙電機驅動客車上的可行性，控制效果也達到了預期要求。

參考文獻：

[1]竇曼莉.基于縱向驅動模型的純電動客車節能與舒適度優化[D].中國科學技術大學，2014.

[2]孫少華.純電動客車機械式自動變速器換擋綜合控制技術研究[D].吉林大學，2014.

[3]王佳.純電動汽車能量管理關鍵技術及高壓安全策略研究[D].北京理工大學，2014.

[4]耿國慶.大客車新型電控液壓轉向系統控制方法與關鍵技術研究[D].江蘇大學，2014.