分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)矩控制研究(info提交版)

1、分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)矩控制研究（申請(qǐng)清華大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文）培養(yǎng)單位：汽車(chē)工程系學(xué) 科：動(dòng)力工程及工程熱物理研 究 生：馬 良 峰指導(dǎo)教師：歐陽(yáng)明高 教 授二一六年五月Research on the Torque Control for Distributed Drive Electric VehicleThesis Submitted toTsinghua Universityin partial fulfillment of the requirementfor the degree ofMaster of ScienceinPower Engineering & Enginee

2、ring ThermophysicsbyMa LiangfengThesis Supervisor：Professor Ouyang MinggaoMay, 2016摘要摘要發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)成為應(yīng)對(duì)交通領(lǐng)域的能源安全問(wèn)題與空氣污染問(wèn)題的共同選擇。在各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)中，分布式電驅(qū)動(dòng)被認(rèn)為是純電驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的前沿技術(shù)，在動(dòng)力性和能效方面具有很大的潛力。分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有控制靈活、響應(yīng)快的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也帶來(lái)了相應(yīng)的研究熱點(diǎn)問(wèn)題，比如各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該如何控制，才能使電動(dòng)汽車(chē)的能效和動(dòng)態(tài)性能得到優(yōu)化？本課題圍繞能效優(yōu)化和動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制優(yōu)化兩個(gè)問(wèn)題展開(kāi)研究。在以能效優(yōu)化為目標(biāo)的轉(zhuǎn)矩控制方面，目前大多研究是采用基

3、于模型的算法，需要電機(jī)等部件的大量測(cè)試標(biāo)定模型，本文采用了一種基于黃金比例搜索算法的前后軸轉(zhuǎn)矩分配策略，可實(shí)現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能參數(shù)不確定情況下的在線(xiàn)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩最優(yōu)分配。但該算法的主要問(wèn)題是搜索過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問(wèn)題，針對(duì)這一問(wèn)題，本課題在其基礎(chǔ)上提出了最優(yōu)分配系數(shù)自動(dòng)標(biāo)定算法，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化分配系統(tǒng)的自動(dòng)標(biāo)定，解決了實(shí)時(shí)搜索算法的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問(wèn)題。 在分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制優(yōu)化方面，主要內(nèi)容是針對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)外界突變載荷激勵(lì)敏感，路面條件變化時(shí)抖動(dòng)劇烈的情況，提出了電子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量算法，從算法層面模擬實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的作用，在不增加汽車(chē)簧下質(zhì)量的情況下降低了輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)外界激勵(lì)的敏感性，

4、并通過(guò)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償算法，解決了車(chē)輛目標(biāo)加速性能下降的問(wèn)題。課題搭建了Matlab/Simulink和Carsim聯(lián)合仿真平臺(tái)， 在此平臺(tái)上對(duì)提出的轉(zhuǎn)矩分配算法和轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制算法的功能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明：在NEDC工況和中國(guó)乘用車(chē)典型城市工況下，采用最優(yōu)分配系數(shù)自動(dòng)標(biāo)定算法，可以相比轉(zhuǎn)矩平均分配分別節(jié)能12.5%和7.4%；采用電子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量算法，可以有效緩和在不良路面上行駛時(shí)車(chē)輪轉(zhuǎn)速的大幅波動(dòng)。為了驗(yàn)證以上研究成果在工程上應(yīng)用的可行性，分別搭建了基于xPC和控制器的硬件在環(huán)仿真平臺(tái)。應(yīng)用自動(dòng)代碼生成技術(shù)，將算法模型轉(zhuǎn)化成控制器可執(zhí)行代碼并移植到KPV13快速原型控制器中進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果證明實(shí)

5、車(chē)控制系統(tǒng)的運(yùn)算和通訊能力能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)搜索算法的要求，上述控制算法在實(shí)際控制系統(tǒng)中可用。關(guān)鍵詞：分布式驅(qū)動(dòng)；輪轂電機(jī)；轉(zhuǎn)矩分配；自動(dòng)標(biāo)定；動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制XAbstractAbstractDeveloping electric vehicles has become a common solution for the energy security problem and air pollution. In the field of electric vehicles, distributed drive is considered to be one of the cutting-edge te

6、chnologies. It has advantages of flexible control, fast response and has shown great potential in terms of dynamic performance and energy saving, at the same time it has also brought some hotspot problems, such as torque distribution between drive wheels and dynamic control of each drive wheel. This

7、 thesis focuses on energy efficiency and dynamic response optimization of distributed drive electric vehicles.In terms of optimizing energy efficiency, most of existing researches for torque distribution are based on models, which means the control algorithm needs either accurate models of target ve

8、hicle or large quantities of calibration data. In this thesis, a torque distribution method based on golden ratio search algorithm is adopted, which can realize optimized torque distribution between front and rear axles while dont need any target models. However, the main problem of this method is t

9、orque ripple in the process of searching. In order to solve this problem, an automatic calibration method of optimized torque distribution is proposed, which can solve the torque ripple problem successfully. In terms of dynamic response optimization, in-wheel-drive systems sensitivity to external im

10、pulses is mainly considered. A novel method called electronic inertia is designed to realize the same function of mechanical inertia to reduce the systems sensitivity while add no unsprung mass to the vehicle. A torque compensator is designed to solve the acceleration reduction problem due to the el

11、ectronic inertia.A joint simulation platform between Matlab/Simulink and Carsim has been set up to verify the function of automatic calibration method of optimized torque distribution and electronic inertia method. Results show that with the proposed torque distribution method, up to 12.5% of energy

12、 can be saved in NEDC cycle and 7.4% of energy can be saved in Chinas typical cycle of city passenger cars. With the electronic inertia method, wheel vibration when driving off-road can be effectively mitigated.To further verify the feasibility of the proposed torque control methods in real applicat

13、ion, two kinds of HIL(hardware in the loop) simulation platforms are set up. One is based on Matlab xPC platform, the other is based on communication between two controllers. With automatic code generation technology, algorithm models in Simulink are translated into executable code and downloaded to

14、 KPV13 rapid prototyping controller. The controller is tested in both of the two HIL simulation platforms. Results show that operation and communication speed of real control systems can satisfy the requirement of real-time search algorithm, the proposed control method can be applied in real control

15、 systems.Key words: Distributed drive; in-wheel-motor; torque distribution; automatic calibration; dynamic response control目錄目 錄第1章引言11.1 課題背景與選題意義11.1.1 研究背景11.1.2 分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)21.1.3 分布式驅(qū)動(dòng)微型平臺(tái)車(chē)項(xiàng)目41.1.4 選題及意義41.2 相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀綜述61.2.1 分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)矩分配研究61.2.2 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制研究91.3 課題的主要研究?jī)?nèi)容和方法101.4 本文結(jié)構(gòu)11第2章分

16、布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)聯(lián)合仿真建模方法研究122.1 本章引言122.2 Matlab/Simulink與Carsim聯(lián)合仿真平臺(tái)122.3 Carsim車(chē)輛模型132.3.1 車(chē)輛基本參數(shù)設(shè)置142.3.2 輪胎模型142.3.3 對(duì)標(biāo)動(dòng)力系統(tǒng)模型152.3.4 電機(jī)模型172.4 本章小結(jié)21第3章分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩分配算法優(yōu)化223.1 本章引言223.2 直行工況下效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩分配策略223.2.1 黃金比例搜索算法概述233.2.2 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配綜合效率的凸特性校驗(yàn)253.2.3 黃金比例搜索算法的實(shí)現(xiàn)及聯(lián)合仿真263.2.4 最優(yōu)分配系數(shù)自動(dòng)標(biāo)定算法293.3 轉(zhuǎn)彎工況下效率

17、最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩分配策略373.3.1 低轉(zhuǎn)速下永磁同步電機(jī)效率模型簡(jiǎn)化373.3.2 效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩分配策略制定383.3.3 基于Ackerman轉(zhuǎn)向梯形的四輪轉(zhuǎn)速差異性分析393.3.4 低速轉(zhuǎn)矩分配策略的效率優(yōu)化潛力分析403.4 本章小結(jié)42第4章輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制優(yōu)化444.1 本章引言444.2 電子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量概念提出444.3 轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)454.4 動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制算法的聯(lián)合仿真驗(yàn)證474.5 本章小結(jié)49第5章整車(chē)分布式控制算法的硬件在環(huán)仿真505.1 本章引言505.2 自動(dòng)代碼生成515.2.1 KPV13快速原型控制器515.2.2 控制算法模型配置515.2.3

18、代碼生成與下載545.3 基于xPC平臺(tái)的硬件在環(huán)仿真545.3.1 仿真系統(tǒng)架構(gòu)555.3.2 軟硬件配置565.3.3 底層驅(qū)動(dòng)配置585.3.4 仿真結(jié)果585.4 以控制器為對(duì)象的硬件在環(huán)仿真615.4.1 仿真系統(tǒng)架構(gòu)625.4.2 仿真結(jié)果635.5 本章小結(jié)65第6章總結(jié)與展望666.1 總結(jié)666.2 展望67參考文獻(xiàn)68致 謝72聲明73附錄A 改裝車(chē)輛及電機(jī)、電機(jī)控制器選型74附錄B 分布式電驅(qū)動(dòng)通訊協(xié)議77個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果84主要符號(hào)對(duì)照表主要符號(hào)對(duì)照表物理量符號(hào)：d兩側(cè)輪距FX 輪胎縱向力FY 輪胎側(cè)向力FZ輪胎垂直力g 重力加速度h 質(zhì)心離地

19、高度i0 主減速器傳動(dòng)比ig 變速箱傳動(dòng)比Iij 各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的電流，ij = lf, rf, lr, rr分別表示左前輪，右前輪，左后輪，右后輪Je 變速箱之前的旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、飛輪等Jeq 動(dòng)力系統(tǒng)所有旋轉(zhuǎn)件等效到輪端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jf 飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg 變速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，等效到輸出軸Jm 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jw 車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jxx車(chē)身側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jyy車(chē)身俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jzz車(chē)身橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量k轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)K最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)矩陣l 軸距l(xiāng)f質(zhì)心距前軸距離lr 質(zhì)心距后軸距離L電機(jī)感抗Ld電機(jī)直軸感抗Lq 電機(jī)交軸感抗m整車(chē)質(zhì)量MZ 輪胎回正力矩nR 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速p電機(jī)極對(duì)數(shù)PCu 電機(jī)銅

20、耗PFe 電機(jī)鐵耗Ps 電機(jī)雜散損耗Pm 電機(jī)機(jī)械損耗Ploss 電機(jī)總損耗Pin 電機(jī)輸入功率Pout 電機(jī)輸出功率r 輪胎有效滾動(dòng)半徑Ra 電機(jī)線(xiàn)圈電阻Ri 電機(jī)鐵耗電阻Raj 前后軸電機(jī)線(xiàn)圈電阻，j = f表示前軸，j = r表示后軸Ttotal總轉(zhuǎn)矩Tj前后軸的轉(zhuǎn)矩，j = f表示前軸，j = r表示后軸Tij各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩，ij = lf, rf, lr, rr分別表示左前輪，右前輪，左后輪，右后輪Tin輸入轉(zhuǎn)矩Tout輸出轉(zhuǎn)矩Tk轉(zhuǎn)矩向量Tf 電機(jī)摩擦轉(zhuǎn)矩TR 電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩v車(chē)速vcut-off 輪胎動(dòng)態(tài)遲滯修正臨界車(chē)速vk車(chē)速向量vmax最大車(chē)速w輪距 汽車(chē)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)驅(qū)動(dòng)

21、系統(tǒng)綜合效率m 電機(jī)效率T 傳動(dòng)系統(tǒng)效率左前輪轉(zhuǎn)向角'右前輪轉(zhuǎn)向角黃金比例搜索算法與普通比例搜索算法的速度之比路面附著系數(shù)輪胎動(dòng)態(tài)遲滯距離X輪胎縱向動(dòng)態(tài)遲滯距離YZ輪胎側(cè)向及回正動(dòng)態(tài)遲滯距離j前后軸電機(jī)的轉(zhuǎn)矩/電流系數(shù)，j = f表示前軸，j = r表示后軸f 電機(jī)永磁體磁鏈ij 各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的角速度縮略詞：BEV純電動(dòng)汽車(chē)（Battery Electric Vehicle）DSC動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)（Dynamic Stability Control）EV電動(dòng)汽車(chē)（Electric Vehicle）ESP車(chē)身電子穩(wěn)定系統(tǒng)（Electronic Stability Program）FCE

22、V燃料電池汽車(chē)（Fuel Cell Electric Vehicle）GPS全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System）HIL硬件在環(huán)仿真（Hardware In the Loop）INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，陀螺儀（Inertial Navigation System）NEDC新歐洲標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)（New European Driving Cycle）PHEV插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）RCP快速控制原型（Rapid Control Prototype）RTWMatlab的實(shí)時(shí)仿真工具（Real Time Workshop）

23、RtwinMatlab的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)（Real Time Windows Target）VDC車(chē)輛動(dòng)態(tài)控制（Vehicle Dynamic Control）VSC車(chē)輛穩(wěn)定控制（Vehicle Stability Control）VSA車(chē)輛穩(wěn)定輔助控制（Vehicle Stability Assist Control）xPCMatlab的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)第1章 引言第1章 引言1.1 課題背景與選題意義1.1.1 研究背景隨著環(huán)保和節(jié)能兩大問(wèn)題的日益凸顯，電動(dòng)汽車(chē)成為可持續(xù)交通體系的重要選擇。在我國(guó)，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略1。純電驅(qū)動(dòng)汽車(chē)（EV）除了純電動(dòng)汽車(chē)（BEV），也包括燃料電池汽車(chē)（

24、FCEV）和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)發(fā)展相對(duì)較快，以豐田Prius為代表的混合動(dòng)力車(chē)型率先在全球?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，截止2015年7月，全球累計(jì)銷(xiāo)量已經(jīng)超過(guò)800萬(wàn)輛2。在此基礎(chǔ)上，豐田進(jìn)一步推出了插電式版本的Prius。國(guó)內(nèi)插電式混合動(dòng)力汽車(chē)從2013年開(kāi)始起步并快速發(fā)展，2013年、2014年、2015年銷(xiāo)量分別為3038輛3，29715輛4和83610輛5。目前代表車(chē)型包括比亞迪的秦和唐，上汽的榮威e550。世界上最早的電動(dòng)汽車(chē)的問(wèn)世其實(shí)要追溯到內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)出現(xiàn)之前。早在1900年，保時(shí)捷和大眾汽車(chē)的創(chuàng)始人費(fèi)迪南德-保時(shí)捷就研制了一臺(tái)前輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)，如圖 1.

25、1所示6，時(shí)速達(dá)到了58 km/h，但是由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，電動(dòng)汽車(chē)不得不將舞臺(tái)讓位給了內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)。圖 1.1 費(fèi)迪南德-保時(shí)捷研發(fā)的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)近年來(lái)隨著電池、電機(jī)、電控三大技術(shù)的進(jìn)步7,8，尤其是鋰電池技術(shù)的不斷發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)重新進(jìn)入人們的視野。從2013年起，電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加速階段，各大車(chē)企的量產(chǎn)車(chē)型相繼上市。乘用車(chē)方面比較典型的有日產(chǎn)Leaf，特斯拉Model S、Model X，寶馬i3。國(guó)內(nèi)代表車(chē)型有北汽EV系列，江淮iEV系列，比亞迪戴姆勒合資的騰勢(shì)電動(dòng)汽車(chē)，長(zhǎng)安逸動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)，上汽e50電動(dòng)汽車(chē)等。此外，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)微型純電動(dòng)轎車(chē)快速發(fā)展，典型車(chē)型包括大洋洲知豆，

26、眾泰云100，吉利康迪等。我國(guó)的純電動(dòng)客車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，目前保有量已經(jīng)全球領(lǐng)先。燃料電池作為電動(dòng)汽車(chē)的前沿技術(shù)，近幾年發(fā)展迅速。美國(guó)、日本、歐盟都投入大量人力物力開(kāi)發(fā)燃料電池汽車(chē)。通用、福特、豐田、本田、現(xiàn)代、奔馳、寶馬等大公司都已經(jīng)開(kāi)發(fā)出各自的燃料電池汽車(chē)并在道路上進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)試9。以豐田Mirai為代表的燃料電池汽車(chē)已經(jīng)逐步走上了產(chǎn)業(yè)化銷(xiāo)售的道路。1.1.2 分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按照構(gòu)型可以分成集中式驅(qū)動(dòng)和分布式驅(qū)動(dòng)兩類(lèi)。集中式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較接近，發(fā)動(dòng)機(jī)由電池和電機(jī)代替，變速器、傳動(dòng)軸、差速器等結(jié)構(gòu)仍然保留。目前，主流分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和

27、輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩種，如圖 1.2所示10。其中輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)布置在車(chē)輪內(nèi)側(cè)，輸出軸通過(guò)減速箱與驅(qū)動(dòng)輪相連11。這種構(gòu)型的特點(diǎn)是電機(jī)位于懸架之上，不會(huì)額外增加簧下質(zhì)量，所以不會(huì)影響汽車(chē)行駛的平順性。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)集成在輪轂中，動(dòng)力系統(tǒng)集成度更高。缺點(diǎn)是增加了簧下質(zhì)量，影響平順性，對(duì)懸架設(shè)計(jì)提出了更高的要求。圖 1.2 電動(dòng)汽車(chē)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比于內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，純電驅(qū)動(dòng)汽車(chē)具有環(huán)境友好，動(dòng)力響應(yīng)快，轉(zhuǎn)矩控制精確等優(yōu)勢(shì)。另外，相比集中式單電機(jī)驅(qū)動(dòng)構(gòu)型，分布式驅(qū)動(dòng)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以單獨(dú)控制每個(gè)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，動(dòng)力可控自由度高，可以實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)化的整車(chē)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制；（2）由于

28、采用了線(xiàn)控技術(shù)，省卻了變速箱、傳動(dòng)軸、主減速器、差速器等機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，大大簡(jiǎn)化了動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一方面可以提高傳動(dòng)效率，另一方面有利于整車(chē)輕量化；（3）動(dòng)力系統(tǒng)高度模塊化，有利于空間布置，可以降低汽車(chē)底盤(pán)和重心，這對(duì)提高汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性具有重大意義。從這個(gè)角度，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。針對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)，目前國(guó)內(nèi)外很多高校和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了原型車(chē)并進(jìn)行了相應(yīng)的研究。國(guó)外高校中，典型的有日本東京大學(xué)Hori教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的輪轂電機(jī)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的UOT Electric March 2電動(dòng)汽車(chē)12；東京大學(xué)的Fujimoto教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的輪轂電機(jī)兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的EV FPEV2-Kanon

29、電動(dòng)汽車(chē)13；美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)Wang Junmin教授的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)的EGV型電動(dòng)汽車(chē)14；美國(guó)麻省理工大學(xué)的Media Lab團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的City Car可折疊微型車(chē)15；日本應(yīng)慶義塾大學(xué)的研發(fā)小組主導(dǎo)研制的Eliica八輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)高速電動(dòng)汽車(chē)16；國(guó)內(nèi)高校中，典型的有清華大學(xué)歐陽(yáng)明高教授課題組開(kāi)發(fā)的輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)的哈利電動(dòng)汽車(chē)；李克強(qiáng)教授課題組開(kāi)發(fā)的采用輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)車(chē)；吉林大學(xué)開(kāi)發(fā)的輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)原型車(chē)17；同濟(jì)大學(xué)“春暉”系列四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)18；北京理工大學(xué)在北汽EV200基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)車(chē)等。目前分布式驅(qū)動(dòng)仍然

30、存在一些問(wèn)題，例如采用多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)以后制造成本的增加，輪轂電機(jī)帶來(lái)的簧下質(zhì)量增加的問(wèn)題及劇烈震動(dòng)下電機(jī)的可靠性、密封性等問(wèn)題。這些問(wèn)題導(dǎo)致分布式驅(qū)動(dòng)在量產(chǎn)車(chē)上的應(yīng)用還不多，但是分布式驅(qū)動(dòng)的發(fā)展前景是有目共睹的，所以不少車(chē)企在研發(fā)分布式驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)上投入了很多精力，先后都開(kāi)發(fā)出了各自的概念車(chē)型。通用公司在2001年試制了四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的Autonomy燃料電池概念車(chē)19，在2005年推出了后輪采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，前輪采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的Sequel燃料電池汽車(chē)20；三菱公司在2005年推出了后輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的Colt EV電動(dòng)汽車(chē)，之后幾年推出了系列車(chē)型21,22；豐田公司先后在2003年和200

31、4年的北美國(guó)際車(chē)展上推出了四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的FINE-X和FINE-T燃料電池概念車(chē)23；本田公司研發(fā)的FCX燃料電池汽車(chē)也有采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車(chē)型23；標(biāo)致公司在2009年的法蘭克福車(chē)展上推出了后輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的Peugeot BB1微型概念車(chē)，電機(jī)由Michelin公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)24。另外除了整車(chē)企業(yè)，一些零部件供應(yīng)商如輪胎、電機(jī)等供應(yīng)商也開(kāi)始進(jìn)行輪轂電機(jī)的開(kāi)發(fā)。法國(guó)Michelin輪胎公司在2008年巴黎車(chē)展上推出的主動(dòng)輪系統(tǒng)，將電機(jī)、懸架和制動(dòng)系統(tǒng)全都集成在輪轂內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊25；英國(guó)Protean公司前身是成立于1963年的PML（Printed Motor Limited）公司，于20

32、09年從PML分離出來(lái)。目前Protean公司和PML公司都從事車(chē)用輪轂電機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。Protean公司用自己開(kāi)發(fā)的電機(jī)改裝了多款樣車(chē)，包括沃爾沃插電式混合動(dòng)力汽車(chē)SHEV、福特F150、廣汽傳祺汽車(chē)和沃克斯豪爾汽車(chē)；斯洛文尼亞的Elaphe公司成立于1988年，致力于輪轂電機(jī)、逆變器、電池包的開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)的輪轂電機(jī)系統(tǒng)曾在Smart Fortwo ED上試裝；另外斯洛文尼亞電機(jī)公司Enstroj，其生產(chǎn)的汽車(chē)直驅(qū)電機(jī)比功率達(dá)到世界領(lǐng)先水平，達(dá)到4.3 kW/kg。（a）Michelin主動(dòng)輪（b）Protean輪轂電機(jī)（c）Elaphe輪轂電機(jī)（d）Enstroj直驅(qū)電機(jī)圖 1.3 部分零部

33、件廠(chǎng)開(kāi)發(fā)的分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)1.1.3 分布式驅(qū)動(dòng)微型平臺(tái)車(chē)項(xiàng)目清華大學(xué)PCG課題組（Powertrain Control Group）此前已經(jīng)在分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的控制方面做了很多探索，主導(dǎo)開(kāi)發(fā)了四輪分布式驅(qū)動(dòng)微型電動(dòng)汽車(chē)哈利，并且在永磁同步輪轂電機(jī)控制、電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回饋、分布式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配等方面進(jìn)行了研究。目前計(jì)劃搭建新一代分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于開(kāi)展四輪驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)空調(diào)能量管理、太陽(yáng)能電池等研究。新一代實(shí)驗(yàn)平臺(tái)車(chē)將在已經(jīng)產(chǎn)品化的微型電動(dòng)汽車(chē)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，一方面降低工程量，縮短開(kāi)發(fā)周期，另一方面可靠性也能得到相應(yīng)的保證。微型車(chē)的車(chē)身數(shù)模如圖 1.4所示。另外，新平臺(tái)車(chē)的整車(chē)

34、控制器將采用PCG課題組和科易動(dòng)力有限公司共同開(kāi)發(fā)的KPV13快速原型控制器，該控制器支持Matlab全自動(dòng)代碼生成，用于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)車(chē)上將顯著提高算法開(kāi)發(fā)效率。圖 1.4 微型電動(dòng)車(chē)數(shù)模圖1.1.4 選題及意義本課題的主要研究?jī)?nèi)容是為分布式電驅(qū)動(dòng)微型平臺(tái)車(chē)開(kāi)發(fā)切實(shí)可用的轉(zhuǎn)矩控制算法，并在前人研究基礎(chǔ)上尋求控制方法的拓展和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)整車(chē)能效及平順性的優(yōu)化。分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是能夠獨(dú)立控制各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩，可控自由度相比集中式驅(qū)動(dòng)更高，但同時(shí)也帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題：各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的轉(zhuǎn)矩究竟該如何分配才能使汽車(chē)行駛的能耗、動(dòng)力性等各方面性能得到優(yōu)化？另外，分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，尤其是輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，與

35、傳統(tǒng)汽車(chē)相比動(dòng)力系統(tǒng)的響應(yīng)特性差異很大。一方面，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度要比發(fā)動(dòng)機(jī)快很多，另一方面，傳統(tǒng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)包括了發(fā)動(dòng)機(jī)、飛輪、離合器、變速箱、傳動(dòng)軸、主減速器、半軸等，其特點(diǎn)是傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，系統(tǒng)剛度小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩具有比較強(qiáng)的濾波能力。而分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，尤其是輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，傳動(dòng)鏈短，系統(tǒng)剛度很大，而且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，阻尼幾乎為零。以上兩方面原因決定分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是有別于傳統(tǒng)汽車(chē)的。所以本課題分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)矩控制可以劃分為兩個(gè)子問(wèn)題：（1）分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的轉(zhuǎn)矩分配問(wèn)題；（2）單獨(dú)每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制問(wèn)題。這是兩個(gè)層面上的問(wèn)題

36、，但是同時(shí)又是相關(guān)性很大的兩個(gè)問(wèn)題，都是對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，主要控制邏輯都在整車(chē)控制器中實(shí)現(xiàn)。具體的控制系統(tǒng)框架如圖 1.5所示：圖 1.5 分布式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制問(wèn)題分層其中，和分別表示總轉(zhuǎn)矩命令，穩(wěn)態(tài)下分配給各個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)下需要各個(gè)車(chē)輪實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)矩，其中，分別表示左前輪、右前輪、左后輪和右后輪。根據(jù)加速踏板信號(hào)解析得到駕駛員的總轉(zhuǎn)矩命令值，該轉(zhuǎn)矩值首先按照一定的策略分配給各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，此時(shí)綜合考慮不同分配方式對(duì)汽車(chē)行駛動(dòng)力性、能耗、安全性等的影響。然后對(duì)每個(gè)車(chē)輪進(jìn)行單獨(dú)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制，此時(shí)主要是考慮到駕駛員操作和路面/輪胎附著力對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的激勵(lì)，需要通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩從而避免動(dòng)

37、力系統(tǒng)發(fā)生過(guò)于劇烈的抖動(dòng)。根據(jù)以上分析，轉(zhuǎn)矩分配問(wèn)題和動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題可以分開(kāi)來(lái)單獨(dú)研究。所以本課題的研究?jī)?nèi)容主要圍繞這兩個(gè)問(wèn)題展開(kāi)，分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩分配策略和動(dòng)態(tài)控制策略，最后將兩者整合到同一個(gè)控制算法中，最終希望應(yīng)用在分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)上，使其在總的能耗和動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面得到綜合優(yōu)化。1.2 相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀綜述根據(jù)1.1.4論述，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)矩控制問(wèn)題可以分為兩類(lèi)：轉(zhuǎn)矩分配問(wèn)題和轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制問(wèn)題。以下將分別綜述這兩個(gè)問(wèn)題目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。1.2.1 分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)矩分配研究現(xiàn)有的研究中，電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)矩分配策略根據(jù)控制目標(biāo)的不同可以分成兩大類(lèi)：（1）面向操縱穩(wěn)定性的

38、轉(zhuǎn)矩分配策略；（2）面向能耗優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩分配策略。1.2.1.1 面向操縱穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)矩分配策略研究汽車(chē)在路面上行駛主要有三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度：沿車(chē)輛行駛方向的縱向運(yùn)動(dòng)、垂直車(chē)輛行駛方向的側(cè)向運(yùn)動(dòng)和繞車(chē)輛質(zhì)心的橫擺運(yùn)動(dòng)，其中與車(chē)輛操縱穩(wěn)定性相關(guān)的是側(cè)向運(yùn)動(dòng)自由度和橫擺運(yùn)動(dòng)自由度。面向操縱穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)矩分配策略主要考慮車(chē)身橫擺力矩的控制。這種控制策略不只適用于分布式驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)，在內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)汽車(chē)上也一樣適用。傳統(tǒng)汽車(chē)橫擺力矩控制的研究已經(jīng)比較成熟，而且已經(jīng)得到了廣泛的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，代表比如博世的車(chē)身電子穩(wěn)定系統(tǒng)（Electronic Stability Program，ESP），這類(lèi)系統(tǒng)主要根據(jù)方向盤(pán)

39、轉(zhuǎn)角、加速踏板開(kāi)度、制動(dòng)踏板位置等信號(hào)，推導(dǎo)出駕駛員目標(biāo)的車(chē)身質(zhì)心側(cè)偏角，并根據(jù)橫擺角速度和側(cè)向加速度等信號(hào)推導(dǎo)出實(shí)際的質(zhì)心側(cè)偏角，從而得到實(shí)際值和目標(biāo)值之間的誤差。系統(tǒng)通過(guò)干預(yù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出以及各個(gè)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩，額外附加橫擺力矩，從而能夠在很大程度上消除這個(gè)誤差，使車(chē)身保持目標(biāo)的行駛姿態(tài)26-29。除了博世的ESP，類(lèi)似的系統(tǒng)還有很多，如日產(chǎn)的車(chē)輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)（Vehicle Dynamic Control，VDC），豐田的車(chē)輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)（Vehicle Stability Control，VSC），本田的車(chē)輛穩(wěn)定輔助控制系統(tǒng)（Vehicle Stability Assist Con

40、trol，VSA），寶馬的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)（Dynamic Stability Control，DSC），這些控制系統(tǒng)功能類(lèi)似。ESP系統(tǒng)主要干預(yù)車(chē)輪的輸出轉(zhuǎn)矩，通過(guò)改變車(chē)輪路面之間的縱向力來(lái)控制橫擺力矩。除此之外，也有研究通過(guò)控制主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改變輪胎側(cè)向力從而附加額外的橫擺力矩30-32，但是由于主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不在本課題轉(zhuǎn)矩分配的研究范圍之內(nèi)，在此不再贅述。分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的橫擺力矩控制在原理上和傳統(tǒng)汽車(chē)并無(wú)區(qū)別，主要不同在于，傳統(tǒng)汽車(chē)各個(gè)車(chē)輪輸出轉(zhuǎn)矩差只能通過(guò)控制制動(dòng)器產(chǎn)生不同的制動(dòng)力實(shí)現(xiàn)，而分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)由于可以獨(dú)立、精確地控制各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度要遠(yuǎn)高于液壓

41、制動(dòng)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度，所以相比之下分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的橫擺力矩控制要容易得多。電動(dòng)汽車(chē)橫擺力矩控制的關(guān)鍵問(wèn)題在于如何實(shí)時(shí)獲取準(zhǔn)確的車(chē)身側(cè)偏角。有些傳感器可以直接測(cè)量得到車(chē)身側(cè)偏角，如OxTS公司的GPS/INS聯(lián)合傳感器，但是這類(lèi)傳感器價(jià)格較高，直接用于工業(yè)生產(chǎn)無(wú)法滿(mǎn)足成本要求。日本東京大學(xué)的Yoichi Hori教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于模糊規(guī)則的車(chē)身側(cè)偏角觀(guān)測(cè)器，根據(jù)測(cè)量得到的側(cè)向加速度和橫擺角速度估算車(chē)身側(cè)偏角，并且在四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)UOT Electric March 2進(jìn)行了驗(yàn)證；另外，該研究團(tuán)隊(duì)還利用輪胎側(cè)向力傳感器結(jié)合擴(kuò)展卡爾曼濾波算法估算車(chē)身側(cè)偏角33；日本長(zhǎng)岡大學(xué)的Hirosh

42、i Fujimoto等人在基于觀(guān)測(cè)器的橫擺力矩控制的基礎(chǔ)上，增加基于擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器的防滑控制，提高了汽車(chē)在濕滑路面上的穩(wěn)定性34；北京理工大學(xué)的Cheng Lin等人設(shè)計(jì)的控制算法上層采用滑?？刂破骺刂茩M擺力矩，下層算法控制輪胎滑移率在邊界條件之內(nèi)35。1.2.1.2 面向能效優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩分配策略研究面向能效優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩分配策略，主要針對(duì)四輪分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)，考慮電機(jī)在不同工況下效率的差異。現(xiàn)有的部分研究認(rèn)為四輪轉(zhuǎn)矩平均分配模式下能效最優(yōu)，另一部分研究認(rèn)為在總轉(zhuǎn)矩需求較低的情況下，采用兩輪驅(qū)動(dòng)的模式下能效最優(yōu)。Yuan等人基于電機(jī)損耗模型進(jìn)行推導(dǎo)，理論上認(rèn)為四輪轉(zhuǎn)矩平均分配策略能效最優(yōu)，并進(jìn)行了臺(tái)架

43、試驗(yàn)驗(yàn)證36；谷靖等人10與盧東斌等人37經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)，得出結(jié)論同樣是四輪轉(zhuǎn)矩平均分配是最優(yōu)的；而余卓平等人38認(rèn)為在轉(zhuǎn)矩需求較低的時(shí)候，兩輪模式具有更高的效率；Chen等人39,40基于電機(jī)效率特性圖，同樣認(rèn)為最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩分配策略應(yīng)該在四輪平均分配模式和兩輪模式之間進(jìn)行切換：當(dāng)總轉(zhuǎn)矩需求較低的時(shí)候，兩前輪或者兩后輪輸出轉(zhuǎn)矩，另外兩個(gè)電機(jī)不工作；當(dāng)總轉(zhuǎn)矩需求較高的時(shí)候，四輪轉(zhuǎn)矩平均分配。以上研究都是基于電機(jī)數(shù)學(xué)模型或者電機(jī)效率特性圖已知的前提，并且以上控制策略都只適用于前后軸采用相同的電機(jī)的構(gòu)型，而對(duì)于前后軸電機(jī)不一致的構(gòu)型則不適用。但是從面向能效最優(yōu)的純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型優(yōu)化角度考慮，前后軸電

44、機(jī)不一致的構(gòu)型具有很大發(fā)展?jié)摿Γ焊咚匐姍C(jī)和低速電機(jī)或者高效率電機(jī)和高性能電機(jī)的組合可以在保證驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)拓寬電機(jī)驅(qū)動(dòng)的綜合高效區(qū)；從空間布置的角度考慮，由于轉(zhuǎn)向系的存在，現(xiàn)有的汽車(chē)前軸空間一般比后軸空間更加緊湊，因此前軸適合布置小電機(jī)，后軸適合布置大電機(jī)。Hiroshi Fujimoto等人41,42針對(duì)前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向，后輪分布式驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)，通過(guò)理論推導(dǎo)估算橫擺力矩對(duì)汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角的影響，在汽車(chē)過(guò)彎的時(shí)候，通過(guò)分配兩個(gè)后驅(qū)動(dòng)輪之間的轉(zhuǎn)矩，對(duì)汽車(chē)附加橫擺力矩，在保持汽車(chē)行駛軌跡不變的前提下可以減小前輪轉(zhuǎn)向角，從而減小行駛阻力。此部分研究同樣涉及到主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，不在本課題的研究范圍之內(nèi)，而且優(yōu)

45、化能力有限，所以不再贅述。另外該團(tuán)隊(duì)43,44還針對(duì)前后軸驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率的“凸”特性，采用黃金比例搜索算法，通過(guò)搜索調(diào)整前后驅(qū)動(dòng)軸之間的轉(zhuǎn)矩分配，從而實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)。與前面基于模型的轉(zhuǎn)矩分配策略不同，基于搜索算法的轉(zhuǎn)矩分配策略不需要控制對(duì)象的模型或任何參數(shù)，不僅適用于前后軸采用相同電機(jī)的車(chē)型，同樣適用于前后軸采用不同電機(jī)的車(chē)型。但只是針對(duì)勻速行駛的穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行了研究，假如要應(yīng)用到實(shí)際汽車(chē)行駛的動(dòng)態(tài)工況中，需要實(shí)時(shí)進(jìn)行搜索，這會(huì)引起懸架甚至整車(chē)的抖動(dòng)。另外，不管是前面基于理論的轉(zhuǎn)矩分配，還是后面基于搜索算法的轉(zhuǎn)矩分配，都只考慮汽車(chē)直線(xiàn)行駛的情況，左右兩側(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)矩是平均分配的。當(dāng)

46、汽車(chē)轉(zhuǎn)向的過(guò)程中，4個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)差異，此時(shí)轉(zhuǎn)矩如何分配效率最優(yōu)以及優(yōu)化的空間有多大，有必要進(jìn)一步分析。1.2.1.3 電子差速問(wèn)題研究電子差速問(wèn)題是分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)控制的一個(gè)比較經(jīng)典的問(wèn)題。汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，由于外側(cè)車(chē)輪的滾動(dòng)距離要比內(nèi)側(cè)車(chē)輪大，這導(dǎo)致外側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速高于內(nèi)側(cè)車(chē)輪。如果內(nèi)外側(cè)車(chē)輪采用同一根軸剛性連接就會(huì)發(fā)生一側(cè)或者兩側(cè)車(chē)輪的打滑，嚴(yán)重影響行駛效率和輪胎的使用壽命。傳統(tǒng)集中式驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)采用機(jī)械式差速器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)同樣面臨這個(gè)問(wèn)題。最初部分研究者考慮根據(jù)汽車(chē)轉(zhuǎn)向Ackerman模型的幾何關(guān)系閉環(huán)控制各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)電子差速。JS Lee等人45提

47、出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的電子差速系統(tǒng)，具有自學(xué)習(xí)功能，通過(guò)試驗(yàn)車(chē)輛能為控制器獲得更加合理的內(nèi)外驅(qū)動(dòng)輪目標(biāo)轉(zhuǎn)速；A Haddoun等人46提出了基于滑?？刂扑惴ǖ碾娮硬钏偎惴ǎ举|(zhì)上也是基于轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制；同濟(jì)大學(xué)新能源汽車(chē)中心的四輪差速轉(zhuǎn)向?qū)＠?7，以左前輪轉(zhuǎn)速作為標(biāo)定車(chē)速，調(diào)節(jié)其它三個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)四個(gè)車(chē)輪繞轉(zhuǎn)向中心同角速度旋轉(zhuǎn)?；谵D(zhuǎn)速閉環(huán)的電子差速控制有其固有的缺陷。由于車(chē)輛行駛過(guò)程中存在輪胎跳動(dòng)、滑移，而且因?yàn)閼壹?、輪胎等結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性特性，各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)速估計(jì)必然存在著誤差，所以進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制容易引起輪胎滑磨。另一種控制策略是轉(zhuǎn)矩控制，根據(jù)駕駛員命令和相關(guān)算法控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，

48、轉(zhuǎn)速隨動(dòng)，從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)差速控制。相比轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)矩控制的精確性能夠得到保證。從這個(gè)角度，“電子差速”問(wèn)題其實(shí)并不存在。因?yàn)樵谵D(zhuǎn)矩控制模式下，只要輪胎/路面作用力沒(méi)有達(dá)到附著力極限，輪胎就不會(huì)發(fā)生打滑。1.2.2 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制研究傳統(tǒng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制已經(jīng)有很多現(xiàn)成的研究成果48-54，但是關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)，尤其是輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制研究還較少。日產(chǎn)公司的Notker Amann等人針對(duì)集中式驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)，認(rèn)為彈性和齒隙效應(yīng)會(huì)引起動(dòng)力系統(tǒng)的扭振，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)矩觀(guān)測(cè)器用于估算齒輪轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而對(duì)駕駛員目標(biāo)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償，從而降低了動(dòng)力系統(tǒng)的扭振，如圖 1

49、.6所示55。在此研究的基礎(chǔ)上，該公司的Hiromichi Kawamura等人進(jìn)一步研究了電動(dòng)汽車(chē)加速過(guò)程中的響應(yīng)速度問(wèn)題，對(duì)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行前饋濾波，對(duì)模型誤差、外界激勵(lì)等引起的干擾進(jìn)行反饋補(bǔ)償，從而在發(fā)揮電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力加速響應(yīng)快的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)兼顧了舒適性，并在Leaf純電動(dòng)轎車(chē)上進(jìn)行了應(yīng)用56,57。圖 1.6 日產(chǎn)動(dòng)力系統(tǒng)扭振控制框架Jose Manuel Rodriguez等人針對(duì)輪邊驅(qū)動(dòng)構(gòu)型的電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)扭振和輪胎/路面附著問(wèn)題，對(duì)扭振問(wèn)題采用反饋進(jìn)行控制，對(duì)輪胎/路面附著問(wèn)題，采用擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)并控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了兩種控制功能58。圖 1.7 輪邊電機(jī)車(chē)型宋子由等人針對(duì)輪

50、轂電機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)/輪胎耦合機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了建模分析，通過(guò)仿真研究了輪胎載荷、剛度、阻尼等參數(shù)對(duì)滑移率估計(jì)誤差、動(dòng)力系統(tǒng)扭振及車(chē)輛縱向抖動(dòng)的影響59。上汽集團(tuán)的張鵬君等人提出了一種用于控制混合動(dòng)力車(chē)輛的轉(zhuǎn)矩輸出的方法，該方法本質(zhì)上是在駕駛員需求轉(zhuǎn)矩突然增加或突然間小時(shí)能通過(guò)指數(shù)函數(shù)濾波的方式控制實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩的上升或下降速率，從而保證車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性和駕駛舒適性60。該方法在純電動(dòng)汽車(chē)輛上同樣適用。圖 1.8 混合動(dòng)力車(chē)輛的轉(zhuǎn)矩輸出方法從上述文獻(xiàn)調(diào)研的結(jié)果可以看出，已有的研究成果其控制對(duì)象的機(jī)械特性和輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有明顯區(qū)別，目前還沒(méi)有針對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的控制研究。1.3

51、課題的主要研究?jī)?nèi)容和方法本課題的主要研究?jī)?nèi)容包括：（1） 分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)矩分配算法優(yōu)化續(xù)駛里程短一直是制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，所以本課題研究轉(zhuǎn)矩分配主要從減小能耗，延長(zhǎng)續(xù)駛里程的角度出發(fā)，提出一種可以滿(mǎn)足差異電機(jī)分布式驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩分配方法。首先實(shí)現(xiàn)基于黃金比例搜索算法的前后軸轉(zhuǎn)矩分配，在動(dòng)態(tài)工況中采用周期性搜索的方法；其次，為了解決搜索過(guò)程中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的問(wèn)題，在搜索算法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入自學(xué)習(xí)的功能；另外，針對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪之間的轉(zhuǎn)矩分配問(wèn)題也進(jìn)行研究，基于模型推導(dǎo)轉(zhuǎn)彎工況下最優(yōu)的四輪轉(zhuǎn)矩分配策略。（2） 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制優(yōu)化主要針對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)外界激勵(lì)過(guò)于敏

52、感的特性，通過(guò)附加“電子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”的方法，優(yōu)化車(chē)輛在起伏路面、濕滑路面等非理想路面行駛時(shí)的性能。在研究方法上，本課題主要采用數(shù)學(xué)推導(dǎo)、軟件仿真以及硬件在環(huán)仿真等方法。具體包括以下幾個(gè)方面：1）通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)分析低速下車(chē)輛轉(zhuǎn)向時(shí)效率最優(yōu)的四輪轉(zhuǎn)矩分配策略；2）搭建Matlab/Simulink與Carsim聯(lián)合仿真平臺(tái)，建立電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出特性曲線(xiàn)和電機(jī)效率模型，在此基礎(chǔ)上分析驗(yàn)證轉(zhuǎn)矩分配算法及轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制算法的效果；3）應(yīng)用自動(dòng)代碼生成技術(shù)將控制算法移植到KPV13控制器中，搭建xPC硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證控制算法可以在實(shí)際控制器中得到應(yīng)用。1.4 本文結(jié)構(gòu)本論文共分為6章，分別為：第1章引言第

53、2章分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)聯(lián)合仿真建模方法研究第3章分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩分配算法優(yōu)化第4章輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制優(yōu)化第5章整車(chē)分布式控制算法的硬件在環(huán)仿真第6章總結(jié)和展望其中第1章主要介紹本課題的研究背景和選題意義，以及目前相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀；第2章主要介紹仿真平臺(tái)的搭建，以及相關(guān)模型的建立；第3章和第4章是本課題的主要工作，也是本文的重點(diǎn)，是關(guān)于轉(zhuǎn)矩分配算法和轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制算法的研究；第5章硬件在環(huán)仿真的目的是確保前面設(shè)計(jì)的控制算法能夠應(yīng)用到實(shí)車(chē)控制系統(tǒng)中，確保平臺(tái)車(chē)改裝完成以后算法馬上能用；第6章對(duì)本課題進(jìn)行總結(jié)，并展望后續(xù)研究工作。87第2章 分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)聯(lián)合仿真建模方法研究第

54、2章 分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)聯(lián)合仿真建模方法研究2.1 本章引言根據(jù)第1章的綜述及討論，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)矩控制主要問(wèn)題分為轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化和轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制兩個(gè)方面。課題研究過(guò)程中涉及到的車(chē)輛動(dòng)態(tài)過(guò)程包括：車(chē)身各個(gè)自由度的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，懸架的振動(dòng)，動(dòng)力系統(tǒng)的軸向振動(dòng)，輪胎的縱向滑移和遲滯，以及輪胎沿垂直地面方向的變形等。如果采用Simulink搭建多自由度整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，除了模型精度問(wèn)題外，工作量會(huì)比較大，而且涉及到輪胎和起伏路面的相互作用時(shí)處理起來(lái)相對(duì)復(fù)雜，所以本課題研究中采用商用軟件Carsim中的車(chē)輛模型?；贑arsim中的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)模型，搭建分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)模型，并與

55、Carsim中的車(chē)輛模型進(jìn)行集成。本章首先對(duì)Matlab/Simulink與Carsim聯(lián)合仿真進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，然后對(duì)Carsim車(chē)輛模型中與本課題研究相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行配置，選取軟件中的傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)模型作為對(duì)標(biāo)模型并對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行分析計(jì)算，在Simulink中建立了永磁同步輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出特性曲線(xiàn)和效率模型。2.2 Matlab/Simulink與Carsim聯(lián)合仿真平臺(tái)Carsim是美國(guó)MSC公司（Mechanical Simulation Corporation）的一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的商用仿真軟件，主要用來(lái)仿真和預(yù)測(cè)汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、平順性、操縱穩(wěn)定性等，目前被國(guó)際上眾多的汽車(chē)制造

56、商采用，廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。軟件自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)里提供了從A級(jí)車(chē)到F級(jí)車(chē)各個(gè)車(chē)型的典型模型，使用者可以通過(guò)圖形化的操作界面非常直觀(guān)方便地對(duì)模型的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改。另外軟件還可以靈活地設(shè)置車(chē)輛仿真的工況，包括：駕駛員加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等操作，以及道路附著、坡度、起伏等變化。Carsim軟件還提供了和Matlab/Simulink的接口，通過(guò)定義輸入輸出端口，兩者之間可以互相調(diào)用。典型的應(yīng)用就是在Carsim軟件中建立車(chē)輛模型和仿真工況，在Simulink中搭建控制算法，進(jìn)行算法的仿真驗(yàn)證。Carsim和Simulink聯(lián)合仿真過(guò)程中Carsim軟件的主界面如圖 2.1所示。圖中區(qū)域1為車(chē)輛模型和仿真工況設(shè)置區(qū)域；區(qū)域2是和Simulink軟件的接口定義區(qū)；區(qū)域3是仿真結(jié)果查看區(qū)，仿真結(jié)果可以以曲線(xiàn)的形式查看或者以動(dòng)畫(huà)的形式查看，另外也可以將曲線(xiàn)的數(shù)據(jù)以txt格式導(dǎo)出，用于進(jìn)一步分析。321圖 2.