Driving Control of In-Wheel Motors based 4WD Electric Vehicle for Vehicle Maneuverability, Lateral Stability and Rollover Prevention

Abstract

In the last few years, the research and development of motor driven vehicles, which have drive systems that generate the driving torque with motors, has been undertaken actively due to increasing interest in energy and environmental problems. Several types of drive system have been proposed for the motor driven vehicles, for instance, a front- or rear-wheel-drive system with two in-wheel motors and a four-wheel-drive (4WD) system with independently driven front and rear motors or four in-wheel motors. In these motor driven vehicles, regenerative braking from the motors can be employed to improve vehicle stability since the response time of the motor torques is faster than that under conventional hydraulic braking. In addition, in the case of the EVs with independently driven in-wheel motors, yaw moment can be generated from torque differential between left and rear wheels. This can be used to improve vehicle stability. This dissertation describes a driving control algorithm of 4 Wheel Drive (4WD) Electric Vehicles (EV) for the improvement of vehicle maneuverability and lateral stability, prevention of vehicle rollover and energy efficiency. The 4WD EV is driven using an in-line motor at a front driving shaft and in-wheel motors at rear wheels. The driving control algorithm consists of three parts: a supervisory controller, an upper-level controller and an optimal torque vectoring algorithm. The supervisory controller determines the control mode, admissible control region, and desired dynamics, such as the desired speed and yaw rate. The upper-level controller computes the traction force input and yaw moment input to track the desired dynamics. The optimal torque vectoring algorithm determines actuator commands, such as the front in-line motor torque, rear in-wheel motor torques and independent brake torques. The optimal torque vectoring algorithm is developed to map the desired traction force and the yaw moment input to the actuator commands, taking into account the actuator constraints. Also, a wheel slip controller is designed to keep slip ratio at each wheel below a limit value. An optimization-based control allocation method is used to determine the actuator commands. Closed loop simulations with a driver-vehicle-controller system and human-in-the-loop simulation with a full-scale driving simulator on a virtual test track (VTT) have been conducted to investigate the performance of the proposed driving controller. It has been shown from simulation studies and the human-in-the-loop simulation results that the vehicle maneuverability, lateral stability, rollover prevention and energy efficiency of the 4WD EV can be significantly improved.

지난 10여 년간 에너지 효율 및 환경문제에 대한 관심이 증가하면서, 모터기반의 구동시스템을 가진 전기 자동차에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 예를 들어, 인라인 모터를 이용한 전륜 또는 후륜 구동의 전기 자동차, 인휠 모터를 이용한 독립구동 시스템을 가진 4륜 구동의 전기 자동차 등 다양한 타입으로 개발되고 있다. 이러한 모터기반의 구동 시스템을 가진 전기 자동차의 경우, 일반 차량의 유압식 제동 시스템에 비해 빠른 반응 속도를 가진 모터의 회생제동을 이용하여 차량의 안정성능 향상 시킬 수 있다. 또한, 모터의 회생 제동을 통한 에너지 효율을 향상 시킬 수 있다. 또한, 인휠 모터 기반의 전기차량의 경우, 독립 제동뿐만 아니라 독립 구동이 가능하기 때문에, 일반 차량에 비해 큰 요 모멘트 생성이 가능하다. 이 특성을 이용하여, 차량의 조종성 및 횡방향 안정성을 일반 차량에 비해 향상 시킬 수 있다. 본 논문은 차량의 조종성, 횡방향 안정성 그리고 차량의 전복 방지뿐만 아니라 에너지 효율을 향상시키기 위한 4륜 구동 전기 차량의 주행제어 알고리즘을 제안하였다. 본 연구에서의 주행 제어 알고리즘은 전륜 인라인 모터/후륜 인휠 모터가 장착된 4륜 구동 전기 차량을 대상으로 개발되었다. 주행제어 알고리즘은 주행 통제 알고리즘, 상위 제어기 그리고 최적 토크 분배 알고리즘으로 나누어 설계하였다. 주행 통제 알고리즘은 차량의 상태 모니터를 통한 제어 모드 및 목표 차량 거동 결정을 위해 설계되었다. 여기서, 목표 차량 거동은 조향 구속조건, 횡방향 구속조건 그리고 차량 전복 방지를 위한 구속조건을 만족하는 차량의 주행가능 영역을 기반으로 하여 결정하였다. 차량의 주행 가능 영역은 조향 구속조건, 횡방향 구속조건 그리고 차량 전복 방지를 위한 구속조건을 만족하는 차량의 최대 곡률을 나타낸다. 상위 제어기는 주행 통제 알고리즘에서 결정된 목표차량 거동 추종을 위한 종방향 견인력 및 요 모멘트 입력 결정을 위해서 설계하였으며, 종방향 견인력 및 요 모멘트 같은 상위 제어기 입력은 최적 토크 분배 알고리즘을 통한 차량 액츄에이터 입력을 결정함으로써 차량에 반영 하였다. 최적 토크 분배 알고리즘은 상위제어기 입력을 차량에 반영하기 위한 전륜 인라인 모터 토크, 후륜 인휠 모터 토크 그리고 각 휠의 제동 토크 입력과 같은 차량의 액츄에이터 입력을 결정하기 위해 설계 되었으며, 본 논문에서는 최적화 기반의 Control Allocation 기법을 이용하여 차량 액츄에이터 성능 및 타이어 성능 한계를 고려한 최적 토크 분배 알고리즘을 설계하였다. 또한, 최적 토크 분배 시, 각 휠의 과도 슬립 방지를 위한 휠 슬립 제어기가 설계 되었으며, 이는 최적 토크 분배 시 고려되었다. 개발된 모터 기반 4륜 구동 전기 차량의 주행 제어 알고리즘의 성능 검증을 위해 CarSim 차량동역학 시뮬레이션 프로그램을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였으며, 다양한 주행상황의 시뮬레이션 결과로부터 개발된 주행 제어 알고리즘을 통해 차량의 조종성, 횡방향 안정성, 차량이 전복 방지 성능을 향상시킬 수 있으며, 뿐만 아니라 에너지 효율까지 향상 시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 가상 주행실험 장치 기반의 주행 시뮬레이터를 이용하여 개발된 주행 제어 알고리즘의 실시간 시뮬레이션을 수행하였으며, 실시간 시뮬레이션 환경에서의 제어 성능을 확인하였다.