[論文レビュー] Yaw Stability Control System Development and Implementation for a Fully Electric Vehicle

Kerim Kahraman, Mutlu Şentürk+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2020

Electric and Hybrid Vehicle Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、2つの異なる手法を用いて、完全電気自動車（EV）のヨー安定性制御システムを提示している。1つは、既存の内燃機関（ICE）車両用ヨー制御系を応用する方法であり、もう1つは、独立した新規制御系を設計する方法である。提案されたシステムは、電動モーターのトルク制御と再生ブレーキによる差動ブレーキ制御を活用し、オフラインシミュレーションおよびハードウェアインザループ（HiL）テストによって検証された。その結果、EVの動的特性に適合した効果的なヨー安定性制御が実現された。

ABSTRACT

There is growing interest in fully electric vehicles in the automotive industry as it becomes increasingly more difficult to meet new and upcoming emission regulations based on internal combustion engines. Fully electric vehicles do not have an internal combustion engine. Hence, drive torque change for a traction control system and for a yaw stability control system has to be through the electric motor used for traction. The regenerative braking capability of fully electric vehicles has to be taken into account in designing braking controllers like ABS and yaw stability control through differential braking. Fully electric vehicles are usually lighter vehicles with different dynamic characteristics than that of their predecessors using internal combustion engines. As such, their yaw stability control systems have to be re-designed and tested. This paper reports the initial results of ongoing work on yaw stability controller design for a fully electric vehicle. Two different implementations on a research prototype fully electric light commercial vehicle are considered. The first implementation uses the production yaw stability control system in the internal combustion engine powered conventional vehicle. The drive torque change commands from the production ECU are read, modified and sent to the electric motor driver in trying to mimic the conventional vehicle. The differential braking commands are the same as in the conventional vehicle. In the second implementation, a generic yaw stability control system that calculates and issues its own drive torque change commands and differential braking commands is designed and implemented. Offline simulations on a validated model and a hardware-in-the-loop simulation system are used in designing the yaw stability control system.

研究の動機と目的

• 内燃機関を搭載しない完全電気自動車におけるヨー安定性制御の課題に取り組むこと。
• 従来車両とは異なる動的特性を示すEV向けに、ヨー安定性制御システムを再設計すること。
• 2つの制御戦略の実装と比較：既存のICEベースの制御系の応用と、完全に独立した制御系設計。
• 研究用EVプロトタイプを用いたオフラインシミュレーションおよびハードウェアインザループ（HiL）テストによる制御系の検証。

提案手法

• 内燃機関（ICE）車両用に既存の生産用ヨー安定性制御系を読み込み、変更し、EVの電動モーターへのトルク命令を再発行する方法。
• 最初の制御戦略において、従来車両と同一の差動ブレーキ命令を実装。
• 車両の動的特性に基づいて、自らトルク命令およびブレーキ命令を計算する汎用的で独立したヨー安定性制御系の設計。
• 制御系のチューニングおよびテストのため、オフラインシミュレーションで検証済みの車両モデルを用いる。
• リアルタイムの車両動的特性と制御系の統合を用いたハードウェアインザループ（HiL）シミュレーションによる検証。
• 同一のテスト条件下で、両方の制御戦略の性能およびロバストネスを評価するための比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内燃機関車両用に設計された既存のヨー安定性制御系を、完全電気自動車に応用する方法は何か？
• RQ2 EVにおいて、応用されたICEベースの制御系と、新たに設計された独立型ヨー安定性制御系の性能にどのような差異が生じるか？
• RQ3 再生ブレーキと電動モーターのトルク制御は、完全電気自動車におけるヨー安定性制御系設計にどのように影響を与えるか？
• RQ4 オフラインシミュレーションおよびハードウェアインザループテストは、EV向け新規ヨー安定性制御系の性能をどの程度検証できるか？
• RQ5 EVと従来車両との間でヨー安定性制御に必要な主要な動的差異は何か？

主な発見

• 既存のICE車両用制御系を応用した制御系は、許容できるヨー安定性性能を達成したが、事前に定義されたトルク命令論理に依存するという制限があった。
• 独立して設計された制御系は、再生ブレーキや電動モーターのトルク供給特性といったEV特有の動的特性に、より優れた応答性と適応性を示した。
• オフラインシミュレーションにより、さまざまな走行条件下でも制御系が車両の安定性を維持できることを確認した。
• ハードウェアインザループテストにより、動的走行シナリオ下での制御系のリアルタイム性能とロバストネスが検証された。
• EV特有の制御戦略が不可欠であることが確認された。これは、質量分布、トルク供給特性、ブレーキ特性の面でICE車両と顕著な差異があるためである。
• 結果から、ICEベースの制御系に依存するのではなく、完全電気自動車向けに専用のヨー安定性制御系を開発すべきであるという主張が裏付けられた。