[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种针对全电动车辆（EV）的偏航稳定性控制系统，采用两种不同方法：一是对现有内燃机（ICE）车辆的偏航控制器进行适配，二是开发一种全新的独立控制器。所提出的系统通过电动机扭矩调节和再生制动实现差速制动，经离线仿真和硬件在环（HiL）测试验证，证明其能有效控制全电动车辆的偏航稳定性，且针对电动车辆动力学特性进行了优化。

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.

研究动机与目标

• 解决全电动车辆因缺乏内燃机而面临的偏航稳定性控制挑战。
• 针对与传统车辆不同的动态特性，重新设计全电动车辆的偏航稳定性控制系统。
• 实施并比较两种控制策略：对现有基于内燃机的系统进行适配，以及完全独立的控制器设计。
• 通过离线仿真和针对研究用全电动车辆原型的硬件在环（HiL）测试验证控制系统。

提出的方法

• 通过读取、修改并重新发布扭矩指令，将现有量产内燃机车辆的偏航稳定性控制系统适配至全电动车辆的电动机。
• 在第一种控制策略中，对全电动车辆实施与传统车辆相同的差速制动指令。
• 设计一种通用的、独立的偏航稳定性控制器，基于车辆动力学自主计算扭矩和制动指令。
• 使用经过验证的车辆模型进行离线仿真，以调校和测试控制器，再进行HiL实现。
• 采用实时车辆动力学与控制器集成的硬件在环（HiL）仿真进行验证。
• 在相同测试条件下对比两种控制策略的性能与鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将专为内燃机车辆设计的现有偏航稳定性控制系统适配至全电动车辆？
• RQ2 在全电动车辆中，经适配的基于内燃机的控制器与全新设计的独立偏航稳定性控制器之间性能差异为何？
• RQ3 再生制动与电动机扭矩控制对全电动车辆偏航稳定性控制系统设计有何影响？
• RQ4 离线仿真与硬件在环测试在多大程度上可验证新型全电动车辆偏航稳定性控制器的性能？
• RQ5 全电动车辆与传统车辆在偏航稳定性控制方面存在哪些关键动力学差异，导致必须重新设计控制系统？

主要发现

• 基于内燃机车辆的适配控制器实现了可接受的偏航稳定性性能，但受限于其对预设扭矩指令逻辑的依赖。
• 独立设计的控制器在响应速度和对全电动车辆特有动力学（包括再生制动和电动机扭矩输出）的适应性方面表现更优。
• 离线仿真验证了控制器在各种操纵工况下维持车辆稳定的能力。
• 硬件在环测试验证了控制器在动态驾驶场景下的实时性能与鲁棒性。
• 研究证实，由于质量分布、扭矩输出特性及制动特性与内燃机车辆存在差异，全电动车辆必须采用专用控制策略。
• 结果支持为全电动车辆开发专用偏航稳定性控制器，而非依赖适配的内燃机系统。