电动客车电子稳定性控制技术研究论文_刘君 时小兵

郑州宇通客车股份有限公司 河南省郑州市 450000

摘要：随着国内对于新能源汽车扶持政策的推行，国内新能源汽车技术正在快速发展，电动客车以其独特的自身优势也开始逐渐走上新能源客车的大舞台。电动客车的应运而生，对城市工况的适应性强，制动能量回收效率高，夜间可长时间充电，零污染，无噪声加之作为纯电动车底盘布置灵活，传动效率高的特点，使得电动客车成为公交车市场的新宠。鉴于此，本文对电动客车电子稳定性的控制技术进行了分析探讨。

关键词：电动客车；电子稳定性；控制

一、电动客车的国内研究现状

近年来，随着电动汽车在技术获得了巨大的突破，全球电动汽车市场正呈现一片利好的形势。截止到2014年底，国内的电动汽车销量已超过10万，越来越多的传统汽车生产商，不仅包括一汽、东风、上汽、北汽、广汽等这些国内汽车业巨头，还有吉利、长城、长安、奇瑞、江淮、比亚迪、海马等，这些国内汽车领域内的逐渐成熟的民营企业们也是开始大力发展电动汽车，甚至还有郑州比克、恒天汽车、北京长城华冠、BDNT等新能源汽车新秀，他们也为电动汽车的推广和技术进步做出了卓越的贡献。就电动客车这一车型而言，目前宇通汽车目前已研制出8—18m长的各型纯电动客车，其中大部分车型已搭载超过120kw的电机在郑州市以及其他城市运行。据称宇通的8m和10m的纯电动客车产品动力性能满足最高车速达到85km/h以上，这对于8t以上的电动客车来说是一个相当惊人的成功。而从销量数据来看，宇通的纯电动客车的年销量在5000辆以上，占了宇通公司全部客车产品的10%以上，这标志着国内电动客车技术已经达到了行业领先水平。

一汽客车研制的超过12m长的混合动力汽车，上面搭载的大功率电机和大容量电池已经在长春市的主要线路上运行了至少两年时间，目前在长春市的马路上这种新能源电动汽车随处可见。不仅如此，一汽新研发的价值100多万的纯电动公交车也已经在160路快速公交线路上投入使用，目前从各项指标来看，这些电动汽车均运转良好，这些标志着一汽在新能源电动汽车上获得的成功。

第三个在电动客车方面取得显著突破的就是东风扬子江客车。扬子江客车生产的8m级纯电动客车产品，已经能满足学校、企事业单位员工通勤的使用需求，不仅满足了整车零排放的需求，还在车身结构上做了大量的研究，使得整车能够最合理的匹配和安装电池数量，达到最佳的运营效果。此外，扬子江客车的高安全可靠性、运行平稳性、安静舒适的特性与其他客车相比都有了比较大的改进和革新，续驶里程指标完全符合城市路况。

二、电动客车电子稳定性控制系统设计

1、参考模型

驾驶员输入踏板信号和转向盘信号，通过踏板实现自己的驾驶意图，车辆控制器的目标是准确获取驾驶员的信号输入，精确计算车辆的运动状态参数，并保证计算过程的精确性。为了保证上述控制器的需求，本文控制器设计的过程中兼顾模型的准确性和实时性，参考模型选择二自由度单轨模型，这么模型是为了考察汽车横向操纵稳定性的基本特性，对线性二自由度的车辆模型进行如下假设：

建模时忽略转向系统的机械结构和传动效率影响，直接以前轮转角或者转向盘转角加上角传动比作为输入；二自由度建模假设悬架是刚性的，认为车辆质心只有水平面上的运动；在仿真步低于0.01s的条件下，在一个仿真步长的范围内，认为汽车的纵向速度不变；为准确估计驾驶员的意图，获得精确的车辆状态参数，汽车的侧向动力学处在线性范围内，前后轮胎的侧向力与侧偏角成正比例关系；汽车模型简化成单轨自行车，自然就忽略了空气阻力，包括车辆转向时的横向载荷转移也不复存在。由此建立由前后两个只考虑侧向弹性的轮胎，受到地面的纵向力和侧向力可以产生横摆运动的理想化汽车模型如下：

上式中：为汽车的质心侧偏角（rad），fk为汽车等效前轴的侧偏刚度（N/rad），rk为汽车等效后轴的侧偏刚度（N/rad），eM为整车整备质量（kg），u为汽车的纵向车速（m/s）；fl为模型质心到前轮轮心的距离（m），fl为模型质心到后轮轮心的距离（m），为模型的横摆角速度（rad/s），为输入前轮转角（rad），zzI为汽车绕z轴转动惯量（2kgm）。

3.2状态参数估计

在上文中，建立了车辆的参考模型，根据参考模型我们可以获得车辆的目标参数：目标横摆角速度和目标质心侧偏角。在成熟的车辆ESP稳定系统中，我们不仅需要通过各种关键参数来估计车辆的横摆角速度，如基于转向角、侧向加速度、轮速、滑移率等参数，还需要一个横摆角速度传感器直接获得车辆的实际横摆角速度信号，而由于质心侧偏角传感器成本比较且现在市场上的质心侧偏角传感器精度有限，所以通常实车ESP系统中不会安装质心侧偏角传感器，而是用侧向加速度传感器代替，然后用基于侧向加速度和轮速的方法获得质心侧偏角的值。本文的仿真模型直接通过理想的单轨模型获得车辆的目标横摆角速度和质心侧偏角。

3.2.1横摆角速度

汽车的横摆角速度是表征汽车动力学状态的最重要信号之一，也是进行车辆动态控制最关键的参数之一，所以对于准确获取车辆横摆角速度信号是VDC控制的重点内容。获取横摆角速度的信号主要有一下几种方法：（1）对于安装ESP控制系统的车辆，安装在车辆质心附近的横摆角速度传感器是必不可少的，在车辆运动时可以精确任意时刻的横摆角速度；（2）通过控制模型里的简化的参考车辆模型也可以直接获得参考的横摆角速度；（3）本文中建模时，车辆的横摆角速度是15自由度整车模型的自由度之一，所以直接通过整车的动态模型可以获得车辆实时横摆角速度，第二章中通过模型验证已经验证了15自由度整车模型中的横摆角速度信号是正确的；（4）基于转向盘转角和左右轮的轮速差，估计车辆的横摆角速度，在此基础上可以引入车辆的侧向加速度进行修正。其中基于阿克曼转向理论的横摆角速度的基本形式为：通过前轮轮速差的估计算法为：

通过前轮轮速差的估计算法为：

上面的公式可以看出，在车辆转向时，要想准确的表达内外轮车速需要考虑两个方面

的因素，一方面是轮速是否与车速成正相关关系，车轮是否抱死；另一方面是轮胎半径

0r是否准确，转向时左右车轮的载荷转移问题；因此为了准确的表达轮速、车轮半径以及横摆角速度之间的关系，还需要考虑到纵向加速度和侧向加速度对于车轮的影响，加入了加速度修正的横摆角速度估计算法为：

其中，xaK为对应于纵向加速度的横摆修正系数，yaK为对应于侧向加速度的横摆修正系数。

3.2.2路面附着率

路面是研究车辆动力学中不容忽视的要素之一，车辆在路面上行驶，只有四个车轮与地面接触，也就意味着轮胎与路面之间作用力是车辆完成一切运动的基础。当然轮胎与路面的之间的作用力不仅仅取决于路面状况，是冰雪路面还是沥青路面；还取决于轮胎性能，是冬季雪地胎和还是四季胎。不管是轮胎还是路面，我们关注的是他们之间的作用力，所以选择将附着系数或者说附着率作为考察的重点，在第二章中已经分析了轮胎的受力模型，四个轮胎最基本的受力情况用数学模型表达为：

其中纵向附着系数可以用纵向力除以垂向力获得，所以由3.15式变形可以得到附着率的表达式

基于这个理论，本文的路面附着率的识别控制路径如下：

针对以上控制流程图3.1的说明：其一，本流程图的识别基础是把路面划分为三种，附着系数为0.2左右的低附着路面，0.5左右的中附着路面，0.9左右的高附着路面；其二，估算车辆速度的过程中，四个车轮的打滑或者划转按照对角交叉控制，也就是说通过这种方式要保证四个车车轮始终有对对角上的两个轮处在小滑移率范围内；其三，滑移率的门限值确定基于第二章中的三种路面的上的轮胎特性曲线。

结束语

作为客运车辆，电动客车的安全性自然受到业内人士的重点关注。本文围绕电动客车的主动安全技术进行了深入的研究，通过建模分析和硬件在环仿真两个方面验证了电机作为执行器的ESP控制系统在双电机驱动客车上的可行性，控制效果也达到了预期要求。

参考文献：

[1]窦曼莉.基于纵向驱动模型的纯电动客车节能与舒适度优化[D].中国科学技术大学，2014.

[2]孙少华.纯电动客车机械式自动变速器换挡综合控制技术研究[D].吉林大学，2014.

[3]王佳.纯电动汽车能量管理关键技术及高压安全策略研究[D].北京理工大学，2014.

[4]耿国庆.大客车新型电控液压转向系统控制方法与关键技术研究[D].江苏大学，2014.

论文作者:刘君 时小兵

论文发表刊物:《基层建设》2015年32期

论文发表时间:2016/11/4

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