电动汽车底盘一体化控制技术的发展研究

董国宇 刘江浩

摘要：本文针对电动汽车底盘一体化控制的发展研究，结合理论实践，在简要阐述目前电动汽车底盘一体化集成控制发展现状的基础上，深入分析了实现电动汽车底盘一体化控制的关键技术，并提出发展趋势。得出电动汽车底盘一体化控制技术的应用是实现汽车电动化和智能化控制关键的结论，希望对相关单位有一定帮助。

关键词：电动汽车；底盘一体化；控制技术；发展研究

国内外大量研究表明，实现电动汽车底盘一体化控制对提高汽车行驶的安全性有重要意义，同时也是实现汽车电动化和智能化控制的主要途径。因此，目前很多汽车生产生产厂家，都把发展研究的重点放在电动汽车底盘一体化控制技术的研究中，我国对此方面研究的起步比较晚，和西方发达国家相比还存在不小的差距，在这样的基础上，开展电动汽车底盘控制技术的发展研究就显得尤为重要。

1.关键执行器的性能改进和一体化优化设计

主动轮技术的实施基础是轮毂电机与电磁主动悬架执行器的集成设计。一方面，应以降低结构复杂性和系统耦合程度为目标，实现主动轮系统中轮毂电机和直线电机式电磁主动悬架的结构集成设计。另一方面，针对电磁悬架普遍存在的功率密度低的缺点，需要对执行器进行结构优化，以改善直线电机的功率因数、起动推力等特性：此外，还需要对电磁主动悬架执行器的空间布置进行拓扑优化，实现传统悬架由单一垂向动力学向纵、横、垂向三维耦合控制拓展，以解决轮边驱动结构特殊动力布置形式造成的悬架非垂向共振等问题。

2.底盘底层控制系统的重构与全方位底盘控制

轮边驱动电动汽车的平顺性、操稳性和主动悬架能量消耗等三个问题相互制约耦合，需要建立统一的多目标空间域，对主动轮系统的纵向、横向、垂向各功能权重进行有效辨识，以更直观的方式表达各目标的相容区域叠加效应和干涉区域的协调机制，以及各功能在空间域中的特性场分布、性能谱图和可控区域，明晰功能实现过程中参数的耦合度和相互影响关系，为系统级控制策略与子任务分配的研究提供依据。

底盘底层控制系统的重构是指对汽车底盘系统整体化控制目标和过程的统筹规划，从车辆动力学系统多目标一体化控制的角度出发，以轮胎与地面的作用力耦合机理、车身姿态控制为解决问题的关键，需要对涉及汽车纵、横、垂向运动的驱动/制动、转向及悬架等底盘功能进行综合控制研究。控制目标不再独立、甚至相互矛盾，而是以车身六自由度、车轮六自由度耦合动力学的姿态控制为主要目标，实现车身、轮胎横纵垂、侧倾、俯仰、横摆的姿态稳定和振动最小化。底盘控制系统的控制过程也从传统的扭矩（动力性及稳定性）、车身加速度响应（舒适性）转向轮胎工况、车身姿态的综合控制，通过主动悬架与驱动电机的联合控制实现对平顺性的高频控制、对操纵稳定性的低频准静态控制的隔离，解决汽车动力学响应的矛盾问题，从而实现主动轮电动汽车底盘系统“高功能内聚、低系统耦合”的优点，将底盘控制由传统的、不关联的单维度控制，转向集成车轮、悬架的三维空间化、全方位立体化综合控制。通过这种具有底盘控制立体空间化特性的主动轮系统来实现全方位底盘控制（global chassis COiltrol，GCC），是目前较具有可行性的方案。

3.整车多自由度姿态控制

整车姿态不仅包括对平顺性影响较大的车身姿态，也包括对操纵稳定性影响较大的车轮运动姿态。为改善轮边驱动电动汽车平顺性和操稳性的矛盾，主动悬架执行器理论上最优的工作状态为刚柔耦合的单向作动，即对车身体现为柔性作用不施加主动力，避免车身加速度响应过激，保证车身平稳：而对车轮体现为刚性作用实现力和位移控制，避免因动载荷过大造成轮胎跳动等问题。如何在新型电磁主动悬架上实现这一目标，配合轮毂电机驱动、转向控制车轮运动姿态，保证执行器对车轮的单向力与位移耦合控制、位移与加速度复合控制、车身姿态控制，是改善轮边驱动电动汽车平顺性和操稳性矛盾的关键。

4.执行器的接口标准化与汽车开放性系统构架

而基于线控技术的主动轮电动汽车底盘系统，集成了驱动/制动、转向及主动悬架，可以让研究人员不再拘泥于底盘控制系统的机械结构及硬件功能实现上，而可以专注于汽车动力学控制问题的根本，即车轮驱动/制动力的分布，以及主动轮系统的悬架力/位移控制问题，不必过多考虑执行器实现、系统协同工作等问题。但这就要求各执行器具有标准的输入输出控制特性，实现系列化、标准化、接口化，能根据工程人员的需要对硬件系统进行扩充和维护。要实现上述目标，必须制定统一的标准体系和系统接口。目前，欧洲的汽车行业最先发起并正在研究和探讨建立汽车开放性系统构架（automotl‘ve open systems architecture，AUToSA R）目前全球范围内有宝马、奔驰、大众、欧宝、标致、丰田、福特、博世、大陆和西门子等50多个汽车生产厂家和汽车配件生产厂家参与这项工程。国内一汽、长安等整车厂技术研究院也于2009年逐渐开始将AuToSAR标准用于ECU的设计、开发、验证等方面。在汽车底盘控制研究中，以AUToSA R规范为基础进行控制系统等软件体系的开发，能够高效管理愈来愈复杂的车辆电子系统和执行器，有利于实现上述汽车动力学本质问题的改善。

5.新式底盘系统的测试技术和方法

基于主动轮的新型汽车底盘系统中，汽车动力学的多项功能集成在驱动车轮中，如驱动、制动、转向、悬架系统，单个车轮或四分之一汽车模型将包含更多的信息，这样汽车底盘总成的测试环境将大大简化。但在实际应用中，需针对这种“高功能内聚、低系统耦合”的动力系统进行测试方法和技术的匹配，充分针对不同工况下系统的动态、静态性能，测试主动轮在模拟路面下簧载质量、非簧载质量的位移、加速度响应，验证控制器对车身姿态控制、车身位移及加速度响应、轮胎位移及动载荷复合主动控制的效果。此外通过施加轮毂电机控制信号，测试主动轮的驱动、制动等性能，并将单个车轮的测试结果向整车扩展，为多个主动轮系统的协调控制提供基础。由于特殊的结构及布置形式，传统汽车动力学测试台架需要进行改装以匹配这种新型底盘系统，现有的测试方法也需要有针对性地进行完善。

结语

随着汽车产量和保有量的迅速增长，人类面临严峻的能源、环境和气候的巨大挑战，以电动汽车为代表的新能源汽车是实現交通可持续发展的最佳选择，发展电动汽车，实现汽车能源动力系统的电气化，推动传统汽车产业的战略转型，在国际上已经形成了广泛共识。