本
文
摘
要
1 引言
随着全球环境法规的加强，为减少CO2排放量，各国都制定了严格的汽车法规。随着这一趋势的发展，汽车电气化进程已加快，包括插电式、纯电动和燃料电池汽车在内的混合动力汽车也在积极发展。全球乘用车产量预测如图1所示。由于电力处理简单且实施成本低，到2025年48 V轻混动力汽车(以下简称48 V MHEV)有望增长到汽车总产量的25%。众所周知，即使燃料成本对实施成本的影响很大，燃油效率最高也可提高约15%。在低燃料消耗方面，由于基础设施建设、电池供应和成本问题的公布，如电动汽车、插电式混合动力汽车等的实施速度预计会较慢。48 V MHEV的燃油效率有望得以更快地提高，这是为了应对近期日益加强的燃油效率监管要求。
图1 全球乘用车产量预测(基于IHS Markit的内部分析和预测)
因此，NTN开发了带电动机和发电机功能的轮毂轴承(以下简称eHUB)，其安装在前轮驱动的48 V MHEV的后轮(从动轮)上。eHUB的开发理念为：
1)提高48 V MHEV的燃油效率;
2)改善车辆动力学性能；
3)可安装在现有悬架系统上。
之前的文章提到在WLTC模式下将eHUB安装在前驱内燃机(ICE)汽车的后轮上使燃油效率提高了3.2%。此外，由于将转矩直接传递给车轮，并控制再生转矩，eHUB可独立驱动左、右轮且具有良好的响应性。这些特性有助于提高行驶稳定性和乘坐舒适性。本文聚焦上述理念2)，讨论了基于左、右轮上eHUB独立控制技术的车辆动力学性能的改善。
2 基本结构
2.1 结构及技术参数
为eHUB的外径尺寸设定了以下目标，以便其可安装在现有悬架系统上。
• 外径小于制动盘内径；
• 轴向长度与常规轮毂轴承相同。
采用三相无刷直流电动机，以在有限空间内获得尽可能多的输出。用于评估的eHUB技术参数见表1。原型eHUB比目标尺寸(宽度)大，需对试验车辆进行改造。NTN目前正进行尺寸改造，以满足设计要求，获得相同的输出和结果。
表1 eHUB技术参数
2.2 试验车辆
通过在前驱的小型轿车上安装eHUB来评估车辆动力学性能的改善。在之前的报告中用来测量燃油效率的车辆被用于此次试验。其传动系统结构如图2所示，车辆技术参数见表2。一辆商用ICE汽车经过改造，将eHUB安装在后轮上。如图3所示，对扭力梁进行改造，安装了eHUB和现有的液压制动盘。控制单元和电池安装在后排座位区和后备箱内(图4)。eHUB是一个独立于现有车辆系统的控制系统，可获取车辆转向角、加速度和速度等信息。48 V电池和控制单元采用了商用产品，搭建了通过控制模型模拟实际车辆直接进行评估的环境。
图2 试验车辆的传动系统结构
表2 试验车辆技术参数
图3 eHUB安装图
图4 控制单元和电池
3 直接横摆力矩控制(DYC)
利用eHUB的优势进行车辆动力学控制，可独立驱动左、右轮，并可再生能量。根据车速、转向角等车辆信息，适当操作eHUB和改变车辆行为可改善车辆动力学性能。
通过向左、右轮主动产生不同的驱动输入以直接控制车辆横摆力矩的方法称为直接横摆力矩控制(以下简称DYC)。DYC有望提高横摆角速度对转向的响应能力和车辆在湿滑(如冰、雪)路面上的操纵性。
通过左、右轮驱动输入的不同产生横摆力矩，以补偿车辆横摆角速度与目标横摆角速度之差的方法称为DYC横摆角速度响应。在常规DYC中的目标横摆角速度γt(单位为rad/s)为
(1)
式中：δ为转向角，rad；ω为横摆角速度响应的固有频率；ζ为横摆角速度响应的阻尼比；Tγ为横摆角速度响应的时间常数，
为横摆角速度响应的稳态增益；α为固有频率控制参数；β为阻尼比控制参数。
由(1)式可知，任意设置α和β可改变横摆角速度对转向响应的固有频率和阻尼比。实现该横摆角速度所需的横摆力矩MZ(单位为N·m)为
(2)
式中：Tm为横摆力矩响应的时间常数，
为横摆力矩响应的稳态增益。
由(2)式可知，常规DYC的横摆力矩取决于转向角速度和角加速度。通过调整α和β来最大限度地提高DYC的效果，由于这些项取决于转向角速度，横摆力矩变得很大，导致2个轮子上所需最大转矩为每个轮数百牛米。因此，常规DYC不能应用于最大转矩可达数十牛米量级的eHUB。
因此，关注湿滑路面上的操纵稳定性，并在转向操作开始时调整控制参数，以提高横摆角速度响应。当设(1)式中的β=α时，则目标横摆角速度可用(3)式表示，所需横摆力矩可用(4)式表示，提高了对转向角加速度的转矩响应。这样即使在相对较低的转矩下也能提高对初始转向操作的响应。
(3)
(4)
当α>1时，初始转向操作的横摆力矩增大；当α<1时，初始转向操作的横摆力矩被抑制。eHUB获得(4)式中横摆力矩的转矩表示为
(5)
式中：D为后轮轮距，m；R为轮胎动态有效半径，m；TL，TR为 eHUB转矩(左、右)，N·m。
不同转向角所需转矩的仿真结果如图5所示。在常规DYC中，转矩根据转向角速度和转向角加速度的变化来确定。相比之下，在eHUB的DYC中，由于转矩响应于转向角加速度的变化，转矩的增加比常规DYC更快。为了设置参数，采用该方法在低摩擦因数μ的道路上开展单一变道驾驶试验。如图6所示，在速度调节区将车速提高到30 km/h，在预定的点释放加速踏板后滑行，以变换车道。车辆行驶轨迹如图7所示。图中为相同条件下运行3次的平均值。车辆转向后段(图中约20～30 m处)，无控制和DYC(α=0.8)的车辆转弯轨迹变宽，而 DYC(α=1.2)的车辆转弯流畅并保持稳定。横摆角速度随转向角的变化如图8所示。采用DYC(α=1.2)改进了横摆角速度对转向角的追溯性，与无控制车辆相比，转向量显著减少。这意味着车辆对转向操作的响应较好，车辆更易转向。另一方面，在DYC(α=0.8)情况下，转向量几乎与无控制情况相同，但曲线内部面积更大。这意味着横摆角速度响应滞后于转向操作，车辆行为响应不佳，车辆不易转向。同样地，可证实即使是很小的转矩，eHUB也可通过分别驱动/反馈左、右轮来改变车辆的行为。
图5 eHUB转向转矩
图6 驾驶条件
图7 车辆行驶轨迹
图8 横摆角速度随转向角的变化
4 基于横向加速度的纵向加速度控制
前一章提到DYC 在轮胎与路面之间的摩擦因数较低时有效。然而，这些驾驶条件是有限制的，因此通过在横向加速度的基础上增加纵向加速度，提出了另一种采用纵向和横向加速度控制车辆的方法。
普通驾驶员和熟练驾驶员在正常驾驶条件下转弯时的纵向和横向加速度如图9所示。普通驾驶员倾向于转弯前减速，转弯时只操纵方向盘。因此，横向加速度在减速后突然发生变化，如图9a所示。乘客感到惯性力的显著变化，可能导致晕车或不适。熟练驾驶员随着转向操作进行加减速，使纵向和横向加速度的组合加速度过渡曲线更平滑。因此，乘客感到惯性力的改变更平稳，舒适度提高。
图9 转弯过程中的横向/纵向加速度
熟练驾驶员的驾驶技术可通过在横向加速度的基础上增加纵向加速度来实现，如(6)式所示。为实现这点，eHUB的左、右转矩相同，可用(7)式表示。
(6)
(7)
式中：Gy为车辆横向加速度，m/s2；
为车辆横向颠簸(Gy的时间导数)，m/s3；Gx为车辆的目标纵向加速度，m/s2；Tx为一阶滞后时间常数，s；m为车辆重量，kg；αx为纵向加速度的控制参数。
纵向加速度控制的示意图如图10所示。纵向加速度由eHUB根据横向加速度产生的转矩控制。当车辆进入曲线时进行减速，使载荷从后轮移动到前轮，并产生协助转弯的横摆力矩。另一方面，当车辆离开曲线时进行加速，使载荷从前轮移动到后轮，并产生恢复车辆稳定性的横摆力矩。
图10 纵向加速度控制的理念
为通过eHUB的驱动/再生制动控制来验证纵向加速度控制的效果，采用与第3章相似的真实车辆进行驾驶试验，结果如图11所示。采用2种控制条件：无控制和纵向加速度控制。与DYC试验一样，结果为运行3次的平均值。当采用纵向加速度控制时，纵向/横向加速度以平滑曲线过渡。
图11 纵向加速度控制驱动的结果
这些结果表明：如果适当地操作车辆，即使是小输出的电动机/发电机(如eHUB)，车辆动力学性能也有很大的改善潜力。在下一阶段将建立结合DYC、纵向加速度控制和燃油效率优化逻辑等的综合控制。
5 结论
在不对48 V MHEV进行重大改造的情况下，安装eHUB可提高车辆的燃油效率和驾驶性能，验证了车辆动力学控制的效果，得到以下结果：
1)直接横摆力矩控制
结果表明，在低摩擦因数的道路上，对转向角加速度更敏感的DYC能有效地提高行驶轨迹的稳定性，并减少单一变道时的转向量。
2)纵向加速度与横向加速度控制相结合
结果表明，纵向加速度的应用有助于提高驾驶舒适性，对横向/纵向综合加速度的平滑变化和转向时舒适性的改善是有效的。
下一阶段将致力于研究更高输出、更高效率的eHUB，以提高降低燃料消耗的效果，并改善实际应用中的车辆动力学性能。
