純電動汽車驅動防滑控制研究

張慶

摘 要：純電動汽車輸出轉矩過大或者冰雪濕滑路面行駛時，驅動容易發生滑轉。針對純電動汽車驅動防滑控制問題，研究了基于滑模變結構的驅動防滑控制方法，并通過仿真分析進行了驗證控制方法的可行性，對純電動汽車的設計和使用具有一定的參考意義。

關鍵詞：純電動汽車 驅動防滑 滑模變結構控制

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0001-02

汽車輸出轉矩過大或在冰雪濕滑路面行駛時，驅動輪容易發生過度滑轉，嚴重影響汽車的駕駛性和安全性。為了避免驅動輪發生過度滑轉，在車輛控制時需對輸出轉矩進行精確控制，以期獲得最佳的驅動效果。相比于傳統燃油汽車，由于電驅動系統中包含電機及控制器單元，純電動汽車在輸出轉矩控制方面具有非常大的優勢，這些優勢可以概括為：（1）通過電機控制器單元能方便準確地獲得電機輸出轉矩；（2）電機能迅速相應轉矩控制信號并被精確控制。 該文采用滑膜變結構控制算法對純電動汽車輸出轉矩進行精確控制，有效抑制了驅動輪過度滑轉，實現良好的驅動防滑效果。

1 純電動汽車驅動防滑問題

純電動汽車由動力電池為驅動電機提供電能并驅動車輛行駛，在汽車驅動行駛過程中，電機所提供的驅動轉矩經傳動系統傳遞給車輪，對路面產生一個與行駛方向相反的作用力，根據牛頓第三定律，路面會產生一個與行駛方向相同的切向反作用力，驅動車輛行駛，這個切向反作用力稱為縱向附著力。路面所能提供的縱向附著力與路面縱向附著系數成正比關系。

當車輛在良好附著系數路面行駛時，縱向附著力足夠大，此時電機驅動轉矩越大，車輛的加速性能越好，爬坡能力也越強；但是當車輛在低附著系數路面行駛時，輪胎與路面間附著性能變差，當驅動轉矩超過路面附著力時，驅動輪將發生滑轉。

一般用滑轉率來表示滑轉過程中滑動成分的多少，滑轉率可表示為。在純滾動時，車速等于驅動輪輪速，此時滑轉率=0；在純滑動時，車速為零，此時滑轉率=1；在邊滾邊滑時，滑轉率為0<<1。

車輪滑轉率與路面附著系數之間具有關聯關系，即隨著車輪滑轉率從零開始增大，車輪與路面之間的縱向附著系數先增大后減小，存在一個最優滑轉率對應峰值附著系數，而側向附著系數則始終不斷減小。驅動輪滑轉主要發生在車輛運動縱向方向，因此對驅動輪進行驅動防滑控制時，只針對車輛的縱向運動進行研究。

為了獲得最佳的驅動防滑效果，在純電動汽車驅動防滑控制時應以最優滑轉率為控制目標，將驅動輪滑轉率控制在最優滑轉率附近，以獲得最大的縱向附著系數，從而提高車輛的加速性能和通過性能。

2 基于滑膜變結構的純電動汽車驅動防滑控制

2.1 驅動防滑控制模型

只考慮車輛的縱向運動。在電動汽車驅動防滑系統設計時，為了簡化系統，忽略空氣阻力影響，將車輛模型簡化為單輪模型，如圖1所示。

2.2 基于滑模變結構的純電動汽車驅動防滑控制

純電動汽車驅動防滑系統以最佳滑轉率為控制目標，對控制的精度和快速響應性有較高要求。驅動防滑控制系統實質上是一個非線性系統[1]，為了實現控制器在最短時間內對最佳滑轉率實現正確跟蹤，鑒于滑模變結構控制算法具有不依賴非線性系統的精確模型，控制響應快速度高等優點，該文采取滑模變結構控制算法[2-3]來設計驅動防滑控制器。

3 仿真分析

在Matlab/simulink軟件中對所研究的驅動防滑控制算法進行仿真分析。整車質量1 000 kg，車輪半徑為0.32 m，車輪轉動慣量為1.1 kg.m2。以冰雪路面作為研究對象，此路面下的最佳滑轉率為0.2，初始時給電機500 N·m的驅動轉矩信號以使得驅動輪容易發生滑轉，在無驅動防滑控制情況下，車速和輪速輸出如圖2所示；在滑模驅動防滑控制下，車速及轉速變化如圖3所示；有、無驅動防滑控制兩中狀態下滑轉率對比如圖4所示。

從圖2中可以看出，在無驅動防滑控制下，輪速遠偏離車速，驅動輪發生了過度滑轉。從圖4中可以看出，無驅動防滑控制下，驅動輪滑轉率保持為0.8。針對驅動輪在冰雪路面發生過度滑轉的情況進行驅動防滑控制，從圖3中可以看出，在滑模驅動防滑控制下，輪速和車速之間保持收斂，未出現輪速遠遠偏離車速的情況；從圖4中也可以看出，在驅動防滑控制下，驅動輪滑轉率保持在0.2，實現了對冰雪路面最佳滑轉率的準確跟蹤。

4 結語

針對純電動汽車驅動防滑控制問題，研究了基于滑模變結構的驅動防滑控制方法，并通過仿真分析進行了驗證，對純電動汽車的設計和使用具有一定的參考意義。

參考文獻

[1] 趙治國.車輛動力學及其非線性控制理論技術的研究[D].西安：西北工業大學，2002.

[2] 謝利理，劉麗卓，鄭新華，等.基于LuGre模型的飛機制動系統滑模控制[J].華中科技大學學報：自然科學版，2013，41（6）：65-69.

[3] 陳振，劉向東，靳永強，等.采用擴展卡爾曼濾波磁鏈觀測器的永磁同步電機直接轉矩控制[J].中國電機工程學報，2008，28 （33）：75-81.