分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展*

程 航，單金良，史揚(yáng)杰，李 磊，王凱強(qiáng)

(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

在環(huán)境污染和能源危機(jī)的雙重壓力下,發(fā)展電動(dòng)汽車技術(shù)成為解決這兩個(gè)問題的有效方法之一。分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車作為全新形式的電動(dòng)車輛具有獨(dú)特動(dòng)力系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)，相比集中式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車其各驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩獨(dú)立可控，這為車輛底盤動(dòng)力學(xué)控制帶來(lái)了巨大優(yōu)勢(shì)。對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的研究，有助于充分發(fā)揮分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)矩獨(dú)立控制的優(yōu)勢(shì)，提高整車的穩(wěn)定性、安全性和平順性。

1 分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車

1.1 分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)

分布式驅(qū)動(dòng)形式可根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的安裝位置分為輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)和輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)框圖

輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)將動(dòng)力由傳動(dòng)軸傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，由于萬(wàn)向節(jié)的存在，可以將傳動(dòng)軸傾斜布置，這樣就可以將電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)安裝于車架上。因此，電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)的質(zhì)量均為簧載質(zhì)量，從而有利于提高汽車的平順性。但該類形式的結(jié)構(gòu)不夠緊湊，而且由于減速機(jī)構(gòu)的存在將會(huì)導(dǎo)致一部分機(jī)械功率的損失。但是，也正因?yàn)樵摐p速機(jī)構(gòu)的存在，使其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可以選用較高轉(zhuǎn)速的電機(jī)，由于高轉(zhuǎn)速電機(jī)的質(zhì)量和體積相對(duì)較小，將有利于空間布置和提高汽車的動(dòng)力性。

圖2為輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)框圖，是將電機(jī)直接安裝在驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)或者驅(qū)動(dòng)輪附近，具有驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈短、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)是汽車信息單元，同樣也是快速反應(yīng)的控制執(zhí)行單元，通過獨(dú)立控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩容易實(shí)現(xiàn)多種動(dòng)力學(xué)控制功能。同時(shí)采用輪轂電機(jī)可以獨(dú)立控制驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩，其操縱穩(wěn)定性高；在結(jié)構(gòu)上取消了傳統(tǒng)變速箱、離合器、差速器、傳動(dòng)軸、車橋等動(dòng)力傳動(dòng)部件，大幅降低了整車重量；在傳動(dòng)控制上，輪轂電機(jī)縮短了動(dòng)力傳遞路徑，提高了動(dòng)力系統(tǒng)的傳動(dòng)效率；并且輪轂電機(jī)可獨(dú)立控制每個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)模式和制動(dòng)模式，有利于優(yōu)化能量分配策略，降低驅(qū)動(dòng)模式下的能量消耗，提升整車制動(dòng)能量回收效果，從而大幅降低整車電耗。

圖2 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 分布式電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)

分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車較傳統(tǒng)集中驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)汽車或四輪驅(qū)動(dòng)車輛而言，最大的區(qū)別在于其各個(gè)車輪可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)或采用回饋制動(dòng)方式進(jìn)行單獨(dú)制動(dòng)，搭載線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的分布式驅(qū)動(dòng)車輛可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)液壓制動(dòng)方式的單獨(dú)制動(dòng)。與傳統(tǒng)動(dòng)力總成的車輛相比，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車具有如下優(yōu)勢(shì)：

(1) 便于實(shí)現(xiàn)精確的車輛主動(dòng)安全控制。傳統(tǒng)的車輛主動(dòng)安全控制通常采用驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)一個(gè)或多個(gè)車輪的方式進(jìn)行，通過改變輪胎與地面的相互作用來(lái)影響整車的受力狀況，從而改善車輛的動(dòng)力學(xué)特性。分布式驅(qū)動(dòng)車輛多采用輪轂電機(jī)或輪邊電機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，同時(shí)電機(jī)在制動(dòng)過程中又可以通過提供回饋制動(dòng)力矩回收動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的效果。電機(jī)作為執(zhí)行器具有控制精度高、響應(yīng)時(shí)間快、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速精確的特點(diǎn)，在驅(qū)/制動(dòng)控制中，由于車輛受力狀況可以通過電機(jī)反饋獲知，因此車輛動(dòng)力學(xué)狀態(tài)估計(jì)變得更為準(zhǔn)確及時(shí)。同時(shí)，通過改變電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力和回饋制動(dòng)力，可以快速地對(duì)車輛進(jìn)行干預(yù)，從而提高了干預(yù)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。

(2) 便于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的驅(qū)/制動(dòng)力分配方式。由于分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車各車輪轉(zhuǎn)矩可以單獨(dú)控制，因而可以綜合考慮路面工況、電機(jī)狀態(tài)、電池狀態(tài)、駕駛員駕駛意圖等信息，計(jì)算得到最優(yōu)的驅(qū)/制動(dòng)力矩并施加到各車輪，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)特性的改善。各車輪可以進(jìn)行差異化精細(xì)控制，以適應(yīng)不同的路面工況，從而在滿足整車動(dòng)力學(xué)需求的前提下，實(shí)現(xiàn)各車輪的最優(yōu)化控制。

(3) 便于實(shí)現(xiàn)靈活的車輛底盤布置。分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車取消了傳統(tǒng)車輛中的發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速箱、傳動(dòng)軸等部件的機(jī)械連接，取而代之的是輪轂/輪邊電機(jī)、電池、電機(jī)控制器等部件的電氣連接，因而可以靈活地對(duì)電動(dòng)汽車的電氣部件進(jìn)行布置。另一方面，與集中驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)汽車不同，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車采用輪轂或輪邊電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，大大提高了動(dòng)力傳輸系統(tǒng)的集成度，為車身中靈活布置其他電氣部分提供了更大的空間。同時(shí)，可以通過改變各電氣部分在車身中的相對(duì)位置，調(diào)整整車的質(zhì)心位置和車架的受力狀況，從而改善車輛的動(dòng)態(tài)特性和碰撞安全性。

(4) 便于實(shí)現(xiàn)車輛的一體化控制。電子控制系統(tǒng)的融合和協(xié)調(diào)控制是汽車整車安全控制的發(fā)展方向，諸如電子穩(wěn)定性控制系(ESC，Electric Stability Control)、主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(AFS，Active FrontSteering)、自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(ACC，Adaptive Cruise Control)。傳統(tǒng)車輛中，不同的電子控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓制動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有不同的控制方式，執(zhí)行器的多樣化提高了協(xié)調(diào)控制的難度。分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車單輪驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)控制的執(zhí)行器都是電機(jī)，在只采用回饋制動(dòng)而不采用液壓制動(dòng)的情況下，對(duì)單一電機(jī)進(jìn)行控制可以避免驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)控制過程中不同系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)問題，從而簡(jiǎn)化控制過程且提高可靠性。

(5) 提高車輛在部分驅(qū)動(dòng)電機(jī)失效情況下的可靠性。分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車各驅(qū)動(dòng)電機(jī)互為冗余，提高了整車系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)單個(gè)或多個(gè)電機(jī)發(fā)生故障無(wú)法正常工作時(shí)，通過對(duì)系統(tǒng)工作方式的重構(gòu)，合理分配驅(qū)動(dòng)力在剩余驅(qū)動(dòng)電機(jī)間的分布，可以在保證車輛穩(wěn)定的前提下，最大限度地利用剩余的驅(qū)動(dòng)力，確保系統(tǒng)仍然能夠穩(wěn)定工作。

2 電子差速技術(shù)及實(shí)現(xiàn)途徑

機(jī)械差速器的基本功能是防止轉(zhuǎn)向行駛或不平路面行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)輪過度滑移與滑轉(zhuǎn)，而分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車需要采用電子差速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)類似機(jī)械差速器的基本功能。

2.1 電子差速技術(shù)

電子差速技術(shù)是分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的差速轉(zhuǎn)向控制基本上都是采用對(duì)各輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[1-2]。以控制車輪轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車進(jìn)行差速轉(zhuǎn)向?yàn)槔?，首先需要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的是方向盤的角度輸出信號(hào)，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)方便電子差速控制系統(tǒng)接收，其次需要對(duì)輸入的相關(guān)值進(jìn)行標(biāo)定，即方向盤的角度輸出值和整車控制器的模擬量，獲得轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與不同位置方向盤的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在轉(zhuǎn)向執(zhí)行時(shí)，車輛轉(zhuǎn)向角對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)被整車控制器接收，并分析其變化，內(nèi)外側(cè)車輪在執(zhí)行控制器內(nèi)控制程序命令下產(chǎn)生速度差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向。

為了使分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車在不同路況條件下實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，需不斷開發(fā)設(shè)計(jì)多種新型電子差速器。多數(shù)新型分布式電動(dòng)車車輪驅(qū)動(dòng)是使用2個(gè)或者多個(gè)獨(dú)立控制的電機(jī)來(lái)完成的，利用電子差速器對(duì)各驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行合理分配，可以大幅度減少機(jī)械傳動(dòng)部件數(shù)量，并具備傳動(dòng)效率高、空間結(jié)構(gòu)大、底盤系統(tǒng)的電子化和主動(dòng)化更加容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 電子差速技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑

電動(dòng)汽車采用的控制策略和驅(qū)動(dòng)方式不同，也會(huì)導(dǎo)致電子差速器的設(shè)計(jì)不相同。以輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)為例,電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，代替了離合器、減速器、傳動(dòng)橋、差速器等機(jī)械傳動(dòng)部件，降低了傳動(dòng)過程中的能量損耗以及整車的質(zhì)量。但是為了實(shí)現(xiàn)差速器的作用效果，需要較為復(fù)雜的控制算法分別對(duì)輪轂電機(jī)進(jìn)行控制，即電子差速技術(shù)。電子差速技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法有兩種：①通過控制器分別調(diào)節(jié)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)差速，該方法可以以車輪轉(zhuǎn)速為控制變量，也可以以驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率為控制目標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，前者受外界影響較大，且對(duì)電機(jī)的要求比較高，后者無(wú)法實(shí)現(xiàn)小滑轉(zhuǎn)率的實(shí)時(shí)監(jiān)控；②通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)差速，該方法對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)要求較高，加工難度較大，無(wú)法充分發(fā)揮輪轂電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

隨著電子控制技術(shù)的飛速發(fā)展以及控制理論的日益完善，電子差速技術(shù)作為電動(dòng)汽車的核心技術(shù)，必將得到長(zhǎng)足的研究與發(fā)展。

3 橫向穩(wěn)定性控制技術(shù)

分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車在轉(zhuǎn)向行駛工況下，如車輛的變道、高速入彎及惡劣天氣造成的汽車與地面的附著率降低，會(huì)使得汽車發(fā)生側(cè)滑、甩尾及側(cè)翻等險(xiǎn)情。對(duì)此國(guó)內(nèi)外的高校及科研單位紛紛致力于提高分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車橫向穩(wěn)定性來(lái)保障行車安全，并提出了如下相關(guān)可用于提升車輛橫向穩(wěn)定性的方法。

3.1 運(yùn)動(dòng)跟蹤控制

Tchamna等[3]在對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)狀況不進(jìn)行簡(jiǎn)化處理的情況下，利用差速制動(dòng)控制器對(duì)汽車的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種考慮縱向動(dòng)力學(xué)的控制策略可達(dá)到對(duì)汽車橫向穩(wěn)定性的調(diào)控。李少坤[4]引入了車輛非線性對(duì)橫向穩(wěn)定性的作用效果，采用滑?？刂扑惴▉?lái)展開對(duì)理想質(zhì)心側(cè)偏角及橫擺角速度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，仿真表明滑?？刂扑惴ㄊ沟密囕v橫向穩(wěn)定系統(tǒng)的魯棒性以及快速響應(yīng)性能顯著提高。王進(jìn)[5]等提出利用分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車在快速過彎和變換車道時(shí)存在非線性和時(shí)變性特征，以車輛的橫擺角度及質(zhì)心側(cè)偏角為控制指標(biāo)，給出了一種模糊滑模車輛橫向穩(wěn)定性的控制方案，仿真表明其提出的方案能夠有效地調(diào)節(jié)汽車姿態(tài)并增強(qiáng)車輛的橫向穩(wěn)定性。

3.2 力與力矩的分配控制

林程等[6]為實(shí)現(xiàn)對(duì)橫擺力矩的間接控制，以及對(duì)各車輪制動(dòng)缸的壓力和各電機(jī)轉(zhuǎn)矩的調(diào)整，從而提出了一種基于分布式側(cè)向穩(wěn)定性的遞階控制方法。LiB等[7]提出了一種基于優(yōu)化函數(shù)的車輛質(zhì)心縱、橫向力與橫擺力矩的最優(yōu)控制，通過設(shè)計(jì)參數(shù)權(quán)重因子，很好地控制了分布式電動(dòng)車橫向穩(wěn)定性。張利鵬等[8]闡述了一種模糊控制方法，利用車輛橫擺角速度和質(zhì)心橫向滑移角與理想值之間的偏差作為模糊輸入的值，以橫擺力矩作為輸出參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橫向穩(wěn)定性的控制。張志勇[9]等通過對(duì)每個(gè)車輪進(jìn)行獨(dú)立控制，結(jié)合差動(dòng)制動(dòng)與差動(dòng)驅(qū)動(dòng)，描述了一種基于直接橫擺力矩的轉(zhuǎn)矩分配控制策略。

4 多目標(biāo)協(xié)調(diào)集成控制技術(shù)

關(guān)于多目標(biāo)協(xié)調(diào)集成控制技術(shù)的研究旨在基于一些完善的集成控制理論對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及懸架系統(tǒng)等子系統(tǒng)的控制功能進(jìn)行效率協(xié)調(diào)優(yōu)化，尋找一種最優(yōu)的控制方案，合理協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)在運(yùn)作時(shí)的時(shí)序和效能，盡量減少各子系統(tǒng)間因相互耦合而造成的沖突。由集成控制ECU計(jì)算最佳的力矩分配方案、能源分配方案及系統(tǒng)自適應(yīng)性調(diào)整策略，據(jù)此來(lái)獲得更優(yōu)的操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性和能源經(jīng)濟(jì)性。洪濡[10]等人就改進(jìn)的車輛二自由度模型制定系統(tǒng)控制目標(biāo)，充分考慮車輪負(fù)載和輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率對(duì)車輛行駛穩(wěn)定性與電機(jī)能量利用效率的交互影響。依據(jù)車輪側(cè)向力觀測(cè)值設(shè)計(jì)基于滑模變結(jié)構(gòu)控制理論的車輪橫擺力矩控制器，再經(jīng)由優(yōu)化分配策略算法完成對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩和能量效率的合理分配。李剛[11]等人通過對(duì)車輪驅(qū)動(dòng)力矩控制分配規(guī)則和主動(dòng)懸架控制方法的研究，采取分層集成控制的理念,設(shè)計(jì)了模型預(yù)測(cè)控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)的全局集成控制,并通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明集成控制優(yōu)化能有效提高車輛穩(wěn)定性和主動(dòng)安全性能。賈曉峰[12]提出了動(dòng)態(tài)多目標(biāo)控制分配策略，并通過MATLAB/Simulink和Car Sim聯(lián)合仿真平臺(tái)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，為了對(duì)控制策略實(shí)際效果進(jìn)行分析，通過搭建的雙dSPACE快速控制原型試驗(yàn)平臺(tái)，選取電動(dòng)汽車行駛過程中的各種典型工況如急加速工況、怠速工況等進(jìn)行了快速控制原型測(cè)試，試驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的實(shí)時(shí)響應(yīng)效果。諸多試驗(yàn)結(jié)果表明：電動(dòng)汽車底盤多目標(biāo)集成控制系統(tǒng)對(duì)各工況能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)響應(yīng)，能夠顯著提升車輛的綜合性能。綜上所述，多目標(biāo)協(xié)調(diào)集成控制對(duì)電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)較高的操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性和能源經(jīng)濟(jì)性有著重大且深遠(yuǎn)的意義。

5 總結(jié)與展望

目前，雖然在分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)控制策略領(lǐng)域有所突破，但仍不足以精確地模擬出電動(dòng)汽車在運(yùn)動(dòng)過程中的復(fù)雜工況，且基于阿克曼轉(zhuǎn)向原理的電子差速控制方法僅適用于一些理想工況，比如低速、車輪無(wú)側(cè)偏的情況，并不適用于車輛所有轉(zhuǎn)向工況，同時(shí)自適應(yīng)電子差速控制策略降低了差速行駛性能；其次，盡管應(yīng)用于DYC(Direct Yaw Moment Control)上層控制器的控制方法較多，但研究成果距離實(shí)車應(yīng)用階段較遠(yuǎn)，且缺乏考慮DYC轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配算法求解的實(shí)時(shí)性；再者，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的控制方法主要針對(duì)極端條件如何提高整車的穩(wěn)定性，而對(duì)非限制條件下的研究較少。

多目標(biāo)協(xié)調(diào)集成控制技術(shù)作為所有多輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)控制的重要研究?jī)?nèi)容,其相當(dāng)于一個(gè)多執(zhí)行器的冗余系統(tǒng)，整體的故障率相對(duì)較高，控制系統(tǒng)應(yīng)能夠及時(shí)檢測(cè)各個(gè)電機(jī)的工作狀態(tài)，并反饋給系統(tǒng)進(jìn)行故障電機(jī)與正常電機(jī)的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)分配，實(shí)現(xiàn)整車主動(dòng)安全的可靠控制，因此分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障檢測(cè)、診斷與容錯(cuò)控制方法的研究也是重要的研發(fā)方向之一。