電動汽車底盤一體化控制技術的發展研究

董國宇 劉江浩

摘要：本文針對電動汽車底盤一體化控制的發展研究，結合理論實踐，在簡要闡述目前電動汽車底盤一體化集成控制發展現狀的基礎上，深入分析了實現電動汽車底盤一體化控制的關鍵技術，并提出發展趨勢。得出電動汽車底盤一體化控制技術的應用是實現汽車電動化和智能化控制關鍵的結論，希望對相關單位有一定幫助。

關鍵詞：電動汽車；底盤一體化；控制技術；發展研究

國內外大量研究表明，實現電動汽車底盤一體化控制對提高汽車行駛的安全性有重要意義，同時也是實現汽車電動化和智能化控制的主要途徑。因此，目前很多汽車生產生產廠家，都把發展研究的重點放在電動汽車底盤一體化控制技術的研究中，我國對此方面研究的起步比較晚，和西方發達國家相比還存在不小的差距，在這樣的基礎上，開展電動汽車底盤控制技術的發展研究就顯得尤為重要。

1.關鍵執行器的性能改進和一體化優化設計

主動輪技術的實施基礎是輪轂電機與電磁主動懸架執行器的集成設計。一方面，應以降低結構復雜性和系統耦合程度為目標，實現主動輪系統中輪轂電機和直線電機式電磁主動懸架的結構集成設計。另一方面，針對電磁懸架普遍存在的功率密度低的缺點，需要對執行器進行結構優化，以改善直線電機的功率因數、起動推力等特性：此外，還需要對電磁主動懸架執行器的空間布置進行拓撲優化，實現傳統懸架由單一垂向動力學向縱、橫、垂向三維耦合控制拓展，以解決輪邊驅動結構特殊動力布置形式造成的懸架非垂向共振等問題。

2.底盤底層控制系統的重構與全方位底盤控制

輪邊驅動電動汽車的平順性、操穩性和主動懸架能量消耗等三個問題相互制約耦合，需要建立統一的多目標空間域，對主動輪系統的縱向、橫向、垂向各功能權重進行有效辨識，以更直觀的方式表達各目標的相容區域疊加效應和干涉區域的協調機制，以及各功能在空間域中的特性場分布、性能譜圖和可控區域，明晰功能實現過程中參數的耦合度和相互影響關系，為系統級控制策略與子任務分配的研究提供依據。

底盤底層控制系統的重構是指對汽車底盤系統整體化控制目標和過程的統籌規劃，從車輛動力學系統多目標一體化控制的角度出發，以輪胎與地面的作用力耦合機理、車身姿態控制為解決問題的關鍵，需要對涉及汽車縱、橫、垂向運動的驅動/制動、轉向及懸架等底盤功能進行綜合控制研究。控制目標不再獨立、甚至相互矛盾，而是以車身六自由度、車輪六自由度耦合動力學的姿態控制為主要目標，實現車身、輪胎橫縱垂、側傾、俯仰、橫擺的姿態穩定和振動最小化。底盤控制系統的控制過程也從傳統的扭矩（動力性及穩定性）、車身加速度響應（舒適性）轉向輪胎工況、車身姿態的綜合控制，通過主動懸架與驅動電機的聯合控制實現對平順性的高頻控制、對操縱穩定性的低頻準靜態控制的隔離，解決汽車動力學響應的矛盾問題，從而實現主動輪電動汽車底盤系統“高功能內聚、低系統耦合”的優點，將底盤控制由傳統的、不關聯的單維度控制，轉向集成車輪、懸架的三維空間化、全方位立體化綜合控制。通過這種具有底盤控制立體空間化特性的主動輪系統來實現全方位底盤控制（global chassis COiltrol，GCC），是目前較具有可行性的方案。

3.整車多自由度姿態控制

整車姿態不僅包括對平順性影響較大的車身姿態，也包括對操縱穩定性影響較大的車輪運動姿態。為改善輪邊驅動電動汽車平順性和操穩性的矛盾，主動懸架執行器理論上最優的工作狀態為剛柔耦合的單向作動，即對車身體現為柔性作用不施加主動力，避免車身加速度響應過激，保證車身平穩：而對車輪體現為剛性作用實現力和位移控制，避免因動載荷過大造成輪胎跳動等問題。如何在新型電磁主動懸架上實現這一目標，配合輪轂電機驅動、轉向控制車輪運動姿態，保證執行器對車輪的單向力與位移耦合控制、位移與加速度復合控制、車身姿態控制，是改善輪邊驅動電動汽車平順性和操穩性矛盾的關鍵。

4.執行器的接口標準化與汽車開放性系統構架

而基于線控技術的主動輪電動汽車底盤系統，集成了驅動/制動、轉向及主動懸架，可以讓研究人員不再拘泥于底盤控制系統的機械結構及硬件功能實現上，而可以專注于汽車動力學控制問題的根本，即車輪驅動/制動力的分布，以及主動輪系統的懸架力/位移控制問題，不必過多考慮執行器實現、系統協同工作等問題。但這就要求各執行器具有標準的輸入輸出控制特性，實現系列化、標準化、接口化，能根據工程人員的需要對硬件系統進行擴充和維護。要實現上述目標，必須制定統一的標準體系和系統接口。目前，歐洲的汽車行業最先發起并正在研究和探討建立汽車開放性系統構架（automotl‘ve open systems architecture，AUToSA R）目前全球范圍內有寶馬、奔馳、大眾、歐寶、標致、豐田、福特、博世、大陸和西門子等50多個汽車生產廠家和汽車配件生產廠家參與這項工程。國內一汽、長安等整車廠技術研究院也于2009年逐漸開始將AuToSAR標準用于ECU的設計、開發、驗證等方面。在汽車底盤控制研究中，以AUToSA R規范為基礎進行控制系統等軟件體系的開發，能夠高效管理愈來愈復雜的車輛電子系統和執行器，有利于實現上述汽車動力學本質問題的改善。

5.新式底盤系統的測試技術和方法

基于主動輪的新型汽車底盤系統中，汽車動力學的多項功能集成在驅動車輪中，如驅動、制動、轉向、懸架系統，單個車輪或四分之一汽車模型將包含更多的信息，這樣汽車底盤總成的測試環境將大大簡化。但在實際應用中，需針對這種“高功能內聚、低系統耦合”的動力系統進行測試方法和技術的匹配，充分針對不同工況下系統的動態、靜態性能，測試主動輪在模擬路面下簧載質量、非簧載質量的位移、加速度響應，驗證控制器對車身姿態控制、車身位移及加速度響應、輪胎位移及動載荷復合主動控制的效果。此外通過施加輪轂電機控制信號，測試主動輪的驅動、制動等性能，并將單個車輪的測試結果向整車擴展，為多個主動輪系統的協調控制提供基礎。由于特殊的結構及布置形式，傳統汽車動力學測試臺架需要進行改裝以匹配這種新型底盤系統，現有的測試方法也需要有針對性地進行完善。

結語

隨著汽車產量和保有量的迅速增長，人類面臨嚴峻的能源、環境和氣候的巨大挑戰，以電動汽車為代表的新能源汽車是實現交通可持續發展的最佳選擇，發展電動汽車，實現汽車能源動力系統的電氣化，推動傳統汽車產業的戰略轉型，在國際上已經形成了廣泛共識。