程 航，單金良，史揚杰，李 磊，王凱強

(揚州大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

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

1 分布式驅(qū)動電動汽車

1.1 分布式驅(qū)動電動汽車的結(jié)構(gòu)

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

圖1 分布式驅(qū)動電動汽車的結(jié)構(gòu)框圖

輪邊電機驅(qū)動是電機通過減速機構(gòu)將動力由傳動軸傳遞給驅(qū)動輪，由于萬向節(jié)的存在，可以將傳動軸傾斜布置，這樣就可以將電機及減速機構(gòu)安裝于車架上。因此，電機和減速機構(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，而且由于減速機構(gòu)的存在將會導(dǎo)致一部分機械功率的損失。但是，也正因為該減速機構(gòu)的存在，使其驅(qū)動系統(tǒng)中可以選用較高轉(zhuǎn)速的電機，由于高轉(zhuǎn)速電機的質(zhì)量和體積相對較小，將有利于空間布置和提高汽車的動力性。

圖2為輪轂電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)框圖，是將電機直接安裝在驅(qū)動輪內(nèi)或者驅(qū)動輪附近，具有驅(qū)動傳動鏈短、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)點。電動機是汽車信息單元，同樣也是快速反應(yīng)的控制執(zhí)行單元，通過獨立控制電動機驅(qū)/制動轉(zhuǎn)矩容易實現(xiàn)多種動力學(xué)控制功能。同時采用輪轂電機可以獨立控制驅(qū)動輪轉(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、傳動軸、車橋等動力傳動部件，大幅降低了整車重量；在傳動控制上，輪轂電機縮短了動力傳遞路徑，提高了動力系統(tǒng)的傳動效率；并且輪轂電機可獨立控制每個車輪的驅(qū)動模式和制動模式，有利于優(yōu)化能量分配策略，降低驅(qū)動模式下的能量消耗，提升整車制動能量回收效果，從而大幅降低整車電耗。

圖2 輪轂電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)框圖

1.2 分布式電動汽車的優(yōu)勢

分布式驅(qū)動電動汽車較傳統(tǒng)集中驅(qū)動式電動汽車或四輪驅(qū)動車輛而言，最大的區(qū)別在于其各個車輪可以實現(xiàn)單獨驅(qū)動或采用回饋制動方式進行單獨制動，搭載線控液壓制動系統(tǒng)的分布式驅(qū)動車輛可以進一步實現(xiàn)液壓制動方式的單獨制動。與傳統(tǒng)動力總成的車輛相比，分布式驅(qū)動電動車具有如下優(yōu)勢：

(1) 便于實現(xiàn)精確的車輛主動安全控制。傳統(tǒng)的車輛主動安全控制通常采用驅(qū)動或制動一個或多個車輪的方式進行，通過改變輪胎與地面的相互作用來影響整車的受力狀況，從而改善車輛的動力學(xué)特性。分布式驅(qū)動車輛多采用輪轂電機或輪邊電機作為動力來源，同時電機在制動過程中又可以通過提供回饋制動力矩回收動能，實現(xiàn)制動的效果。電機作為執(zhí)行器具有控制精度高、響應(yīng)時間快、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速精確的特點，在驅(qū)/制動控制中，由于車輛受力狀況可以通過電機反饋獲知，因此車輛動力學(xué)狀態(tài)估計變得更為準確及時。同時，通過改變電機的驅(qū)動力和回饋制動力，可以快速地對車輛進行干預(yù)，從而提高了干預(yù)的時效性和準確性。

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

(3) 便于實現(xiàn)靈活的車輛底盤布置。分布式驅(qū)動電動汽車取消了傳統(tǒng)車輛中的發(fā)動機、離合器、變速箱、傳動軸等部件的機械連接，取而代之的是輪轂/輪邊電機、電池、電機控制器等部件的電氣連接，因而可以靈活地對電動汽車的電氣部件進行布置。另一方面，與集中驅(qū)動式電動汽車不同，分布式驅(qū)動電動汽車采用輪轂或輪邊電機進行驅(qū)動，大大提高了動力傳輸系統(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，可以通過改變各電氣部分在車身中的相對位置，調(diào)整整車的質(zhì)心位置和車架的受力狀況，從而改善車輛的動態(tài)特性和碰撞安全性。

(4) 便于實現(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)對發(fā)動機、液壓制動系統(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)動電動汽車單輪驅(qū)動和制動控制的執(zhí)行器都是電機，在只采用回饋制動而不采用液壓制動的情況下，對單一電機進行控制可以避免驅(qū)動和制動控制過程中不同系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)問題，從而簡化控制過程且提高可靠性。

(5) 提高車輛在部分驅(qū)動電機失效情況下的可靠性。分布式驅(qū)動電動汽車各驅(qū)動電機互為冗余，提高了整車系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)單個或多個電機發(fā)生故障無法正常工作時，通過對系統(tǒng)工作方式的重構(gòu)，合理分配驅(qū)動力在剩余驅(qū)動電機間的分布，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)及實現(xiàn)途徑

機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驅(qū)動輪過度滑移與滑轉(zhuǎn)，而分布式驅(qū)動電動汽車需要采用電子差速系統(tǒng)實現(xiàn)類似機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)動電動汽車驅(qū)動控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，分布式驅(qū)動電動汽車的差速轉(zhuǎn)向控制基本上都是采用對各輪轂電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的[1-2]。以控制車輪轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)對分布式驅(qū)動電動汽車進行差速轉(zhuǎn)向為例，首先需要進行數(shù)模轉(zhuǎn)換的是方向盤的角度輸出信號，轉(zhuǎn)換成模擬信號方便電子差速控制系統(tǒng)接收，其次需要對輸入的相關(guān)值進行標(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)向時驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速與不同位置方向盤的對應(yīng)關(guān)系。在轉(zhuǎn)向執(zhí)行時，車輛轉(zhuǎn)向角對應(yīng)的模擬信號被整車控制器接收，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，進而實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向。

為了使分布式驅(qū)動電動汽車在不同路況條件下實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，需不斷開發(fā)設(shè)計多種新型電子差速器。多數(shù)新型分布式電動車車輪驅(qū)動是使用2個或者多個獨立控制的電機來完成的，利用電子差速器對各驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進行合理分配，可以大幅度減少機械傳動部件數(shù)量，并具備傳動效率高、空間結(jié)構(gòu)大、底盤系統(tǒng)的電子化和主動化更加容易實現(xiàn)等優(yōu)點。

2.2 電子差速技術(shù)實現(xiàn)途徑

電動汽車采用的控制策略和驅(qū)動方式不同，也會導(dǎo)致電子差速器的設(shè)計不相同。以輪轂電機驅(qū)動為例,電機直接驅(qū)動車輪，代替了離合器、減速器、傳動橋、差速器等機械傳動部件，降低了傳動過程中的能量損耗以及整車的質(zhì)量。但是為了實現(xiàn)差速器的作用效果，需要較為復(fù)雜的控制算法分別對輪轂電機進行控制，即電子差速技術(shù)。電子差速技術(shù)的實現(xiàn)方法有兩種：①通過控制器分別調(diào)節(jié)各驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩實現(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)動輪滑轉(zhuǎn)率為控制目標(biāo)來實現(xiàn)，前者受外界影響較大，且對電機的要求比較高，后者無法實現(xiàn)小滑轉(zhuǎn)率的實時監(jiān)控；②通過驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)差速，該方法對電機的結(jié)構(gòu)要求較高，加工難度較大，無法充分發(fā)揮輪轂電機的優(yōu)勢。

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)作為電動汽車的核心技術(shù)，必將得到長足的研究與發(fā)展。

3 橫向穩(wěn)定性控制技術(shù)

分布式驅(qū)動電動汽車在轉(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，會使得汽車發(fā)生側(cè)滑、甩尾及側(cè)翻等險情。對此國內(nèi)外的高校及科研單位紛紛致力于提高分布式驅(qū)動電動汽車橫向穩(wěn)定性來保障行車安全，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 運動跟蹤控制

Tchamna等[3]在對車輛運動狀況不進行簡化處理的情況下，利用差速制動控制器對汽車的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角進行調(diào)節(jié)，這種考慮縱向動力學(xué)的控制策略可達到對汽車橫向穩(wěn)定性的調(diào)控。李少坤[4]引入了車輛非線性對橫向穩(wěn)定性的作用效果，采用滑模控制算法來展開對理想質(zhì)心側(cè)偏角及橫擺角速度的實時監(jiān)測控制，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[5]等提出利用分布式驅(qū)動電動汽車在快速過彎和變換車道時存在非線性和時變性特征，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]為實現(xiàn)對橫擺力矩的間接控制，以及對各車輪制動缸的壓力和各電機轉(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)計參數(shù)權(quán)重因子，很好地控制了分布式電動車橫向穩(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)，實現(xiàn)了對橫向穩(wěn)定性的控制。張志勇[9]等通過對每個車輪進行獨立控制，結(jié)合差動制動與差動驅(qū)動，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電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)、制動系統(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)在運作時的時序和效能，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)此來獲得更優(yōu)的操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性和能源經(jīng)濟性。洪濡[10]等人就改進的車輛二自由度模型制定系統(tǒng)控制目標(biāo)，充分考慮車輪負載和輪轂電機驅(qū)動效率對車輛行駛穩(wěn)定性與電機能量利用效率的交互影響。依據(jù)車輪側(cè)向力觀測值設(shè)計基于滑模變結(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驅(qū)動力矩和能量效率的合理分配。李剛[11]等人通過對車輪驅(qū)動力矩控制分配規(guī)則和主動懸架控制方法的研究，采取分層集成控制的理念,設(shè)計了模型預(yù)測控制器，實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)的全局集成控制,并通過仿真實驗對算法進行了驗證，結(jié)果表明集成控制優(yōu)化能有效提高車輛穩(wěn)定性和主動安全性能。賈曉峰[12]提出了動態(tài)多目標(biāo)控制分配策略，并通過MATLAB/Simulink和Car Sim聯(lián)合仿真平臺進行了仿真試驗，為了對控制策略實際效果進行分析，通過搭建的雙dSPACE快速控制原型試驗平臺，選取電動汽車行駛過程中的各種典型工況如急加速工況、怠速工況等進行了快速控制原型測試，試驗驗證了控制策略的實時響應(yīng)效果。諸多試驗結(jié)果表明：電動汽車底盤多目標(biāo)集成控制系統(tǒng)對各工況能夠?qū)崿F(xiàn)實時響應(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)集成控制對電動汽車實現(xiàn)較高的操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性和能源經(jīng)濟性有著重大且深遠的意義。

5 總結(jié)與展望

目前，雖然在分布式驅(qū)動電動汽車的驅(qū)動控制策略領(lǐng)域有所突破，但仍不足以精確地模擬出電動汽車在運動過程中的復(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、車輪無側(cè)偏的情況，并不適用于車輛所有轉(zhuǎn)向工況，同時自適應(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，但研究成果距離實車應(yīng)用階段較遠，且缺乏考慮DYC轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配算法求解的實時性；再者，分布式驅(qū)動電動汽車的控制方法主要針對極端條件如何提高整車的穩(wěn)定性，而對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)動電動汽車動力學(xué)控制的重要研究內(nèi)容,其相當(dāng)于一個多執(zhí)行器的冗余系統(tǒng)，整體的故障率相對較高，控制系統(tǒng)應(yīng)能夠及時檢測各個電機的工作狀態(tài)，并反饋給系統(tǒng)進行故障電機與正常電機的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)分配，實現(xiàn)整車主動安全的可靠控制，因此分布式驅(qū)動電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的故障檢測、診斷與容錯控制方法的研究也是重要的研發(fā)方向之一。