Development of active lateral stability control systems for hybrid and electric drivetrains

Abstract

Bu çalışma, birbirinden bağımsız tekerleklere bağlı birden fazla elektrik motoru kullanılarak hibrit ve elektrikli araçlara yönelik yanal stabilite ve devrilme önleme kontrol algoritmaları geliştirmek üzere gerçekleştirilmiştir. Zorlu yol koşullarında sürücü kolayca kontrolü kaybedebilir. Bu gibi durumlarda kaza sebebi genellikle insan faktörüdür. Hava durumu, yol yüzeyi, trafik koşulları gibi sebeplerin yanı sıra sürücünün kabiliyeti de güvenli sürüşü büyük ölçüde etkilemektedir.Emniyet kemeri, hava yastığı gibi pasif güvenlik sistemleri bu gibi durumlarda yaralanma riskini azaltabilir ancak kritik durumlarda kazanın önlenmesine yol tutuşun iyileştirilmesi için aktif güvenlik sistemlerinden ABS (Kilitlenme Karşıtı Frenleme Sistemi), TCS (Çekiş kontrol sistemi) ve ESP(Elektronik stabilite programı) gibi sistemlerin araç üzerinde bulunması kaza önemlidir. Özellikle hibrit teknolojinin günümüzde yaygınlaşması sebebiyle bu aktif kontrol sistemlerinin hibrit tasarımlar için uyarlanmasının önemi artmaktadır. Bu nedenle geleneksel fren tabanlı stabilite kontrol yöntemleri yerine bağımsız tekerlekler ile tork denetimine dayanan kontrol algoritmalarının geliştirilmesi konu edilmiştir. Yanal stabilite (yalpa) kontrolü ve devrilme önleme kontrolü gerçekleştirecek algoritmalar kritik dönüş anlarını tespit edilecek ve gerektiğinde aracın arka tarafnda bulunan elektrik motorları, arka merkezde pozitif tork veya fren etkisi yaratacak ve aracın arka bölgesinde oluşturulan bu düzenleyici moment stabiliteye katkı sağlayacaktır. Geliştirilen kontrolcüler PID ve LQR kontrol tabanlıdır. Her iki kontrolcünün farklı modeller üzerinde farklı performans testleri ile uygulanmış ve hangi kontrolcünün hangi durumlarda daha etkin olabileceği görülmüştür. öncelikle en basit taşıt modeli olan lineer bisiklet modeli üzerinde, daha sonra devrilme serbestlik dereceli model ile Pacejka lastik modelini içeren tam taşıt modeli üzerinde denenmiştir. Böylece modelin karmaşıklığına göre kontrolcünün performansının değişimi ve aynı kontrol mantığının hem basit hem kamaşık taşıt modellerinde geçerli olabileceği görülmektedir. Bunlarla birlikte kontrolcünün daha zor sürüş koşullarındaki etkinliğinin görülmesi için aynı kontrol algoritması, Dwell testi, çift şerit değiştirme testi gibi farklı performanslar ile denenmiştir, ayrıca aynı testlerin farklı ve daha büyük hızlarda verdiği tepki de gözlenmiş ve kontrolcünün yüksek hızlara makul oranda tölerans gösterebildiği görülmüştür.

This study describes a method for lateral stability control and rollover prevention control of electric and hybrid vehicles utilizing multiple electric motors connected to independent wheels of the vehicle. Due to the extreme road circumstances driver might lose control of the vehicle. Accidents rising from these situations are generally incorporated with human error. Besides road condition like weather, road surface, traffic conditions; capabilities of the driver effects the safety of vehicle. In this kind of situations, passive safety systems that are seat-belts, airbags reduce the risk of injury , however to prevent accidents and stabilize the vehicle's handling response in critical situations, ABS (Antilock Braking System), TCS (Traction Control System) and ESP (Electronic Stability Program) are needed as active control systems. Especially as hybrid technology become more common, this active control systems which consider hybrid design will be needed more. For this reason we inspected Independent motor torque control rather than braking based control methodologies. Control algorithms are developed based on LQR and PID controllers in order to generate positive drive and negative brake torques for imposing an aligning moment around the yaw axis which we will call corrective moment and resulting in the lateral stability functionality. The developed algorithms were implemented first on simplest model linear bicycle model, then on more complicated models which include roll dynamics and dynamics of four wheel with Magic Formula Tire model to see how controller gets effected with complex models. This application shows that the same control logic can be used both simple and complicated vehicle models. Additionally various performance tests are simulated with different speed values like Sine with Dwell test and Double Lane Change Maneuver, this tests show that how the control algorithm is effected by harder driving conditions. Performance tested in Matlab-Simulink environment and the dynamic performance characteristics were reported with numerical simulation results.