機(jī)械設(shè)計(jì)課程報(bào)告

分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車一體化主動(dòng)安全控制綜述單丹鳳514101001259摘要：隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，主動(dòng)安全控制技術(shù)成為了電動(dòng)汽車領(lǐng)域的最新研究熱點(diǎn)。本文通過對(duì)比傳統(tǒng)電動(dòng)汽車主動(dòng)安全控制技術(shù)，總結(jié)了近年來有關(guān)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車一體化主動(dòng)安全控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景等。重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)外關(guān)于該技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)以及現(xiàn)階段仍然存在的難點(diǎn)問題。縱觀汽車行業(yè)，分布式電動(dòng)汽車一體化主動(dòng)安全控制成為電動(dòng)汽車發(fā)展史上的里程碑。關(guān)鍵字：電動(dòng)汽車；主動(dòng)安全控制；一體化1前言電動(dòng)汽車以電池和電機(jī)為動(dòng)力源，作為交通運(yùn)輸工具來說，它具有驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率高、噪音低、可使用再生制動(dòng)回收剎車動(dòng)能等優(yōu)點(diǎn)。2011年我國(guó)政府在《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃》及《節(jié)能與新能源汽車發(fā)展規(guī)劃》中明確指出，電動(dòng)車輛未來將是國(guó)際車輛節(jié)能減排的最佳選擇，是我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。近年來，國(guó)際學(xué)術(shù)界以及企業(yè)研究所都紛紛展開研究，充分利用分布式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，致力于全電力或液電混合驅(qū)動(dòng)式主動(dòng)安全系統(tǒng)的開發(fā)研究。目前，美國(guó)、日本以及國(guó)內(nèi)諸多企業(yè)與高校在分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的很多關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)取得重大成就，但是核心技術(shù)大部分仍然集中在國(guó)外。電動(dòng)汽車可以按照電機(jī)驅(qū)動(dòng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為兩大類：動(dòng)力集中式電動(dòng)汽車，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車。前者沿用內(nèi)燃機(jī)汽車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，以電機(jī)取代發(fā)動(dòng)機(jī)，以電池取代油箱，保留傳統(tǒng)的減速機(jī)構(gòu)與差速器。而分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車則是車輪內(nèi)置或者旁置動(dòng)力源，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，省略了傳統(tǒng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的變速器、傳動(dòng)裝置、差速器等存在機(jī)械磨損和能量損失的部件，可以大大提高節(jié)能水平及降低電池容量要求［11。車輛主動(dòng)安全控制系統(tǒng)最基本的要求是防止車輛打滑，主要目的是保持車輛于慣性行駛過程中車輛姿態(tài)與駕駛者預(yù)期行駛軌跡一致。其核心技術(shù)包含防抱死剎車系統(tǒng)ABS(Anti-lockBrakeSystem)，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)TCS(TractionControlSystem)與電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)ESC(ElectronicStabilityControl)o其中ESC技術(shù)所能確保的安全性與穩(wěn)定性最佳，能最大限度地確保車輛在各種路況上的安全，以及各種劇烈駕駛條件下車輛行駛的穩(wěn)定性。本文主要介紹了分布式電動(dòng)汽車一體化主動(dòng)安全控制的研究背景、研究意義、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀以及目前面臨的主要問題和未來發(fā)展動(dòng)向，通過閱讀本文可以讓讀者對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車一體化主動(dòng)安全控制的基本含義及發(fā)展現(xiàn)狀有一個(gè)全局掌握。2研究背景及意義電動(dòng)汽車的安全技術(shù)包括主動(dòng)安全技術(shù)和被動(dòng)安全技術(shù)兩方面。電動(dòng)汽車安全設(shè)計(jì)要從整體上來考慮，不僅要在事故發(fā)生時(shí)盡量減少乘員受傷的機(jī)率，而且更重要的是要在輕松和舒適的駕駛條件下幫助駕駛員避免事故的發(fā)生。過去，安全設(shè)計(jì)主要考慮被動(dòng)安全系統(tǒng)，如設(shè)置安全帶、安全氣囊、保險(xiǎn)杠等?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)師們更多考慮的則是主動(dòng)安全設(shè)計(jì)，主動(dòng)采取措施避免事故的發(fā)生。主動(dòng)安全控制系統(tǒng)最基本的要求是防止車輛打滑，主要目的是保持車輛在慣性行駛過程中車輛姿態(tài)與駕駛者預(yù)期行駛軌跡一致。傳統(tǒng)主動(dòng)安全控制系統(tǒng)中，最前沿核心技術(shù)電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)ESC能保證車輛具有最佳的安全性與穩(wěn)定性。在分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車一體化主動(dòng)安全控制中，充分利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，深入研究了二維運(yùn)動(dòng)控制條件下，單個(gè)車輪與路面間的最大可傳遞扭矩的估計(jì)方法，并使用其估計(jì)值完成防滑控制［2】。與傳統(tǒng)的主動(dòng)安全系統(tǒng)ABS、TCS、ESC模塊不同，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車一體化主動(dòng)安全控制將整個(gè)防滑控制模塊作為ESC系統(tǒng)的一個(gè)底層控制單元，從而構(gòu)建先進(jìn)且實(shí)用的一體化主動(dòng)安全系統(tǒng)⑶。為電動(dòng)車輛動(dòng)力總成控制、主動(dòng)安全控制、車輛輔助駕駛以及自動(dòng)駕駛控制等打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀作為當(dāng)代汽車行業(yè)最熱門最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)研究，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車一體化主動(dòng)安全控制已然成為國(guó)際學(xué)術(shù)界以及企業(yè)研究所的新寵。各大高校、企業(yè)、研究所都充分利用分布式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，致力于研究和開發(fā)全電力或者液電混合驅(qū)動(dòng)式主動(dòng)安全系統(tǒng)。美國(guó)通用汽車公司2003年開發(fā)了后輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雪弗蘭輕型電動(dòng)汽車，在2005年北美國(guó)際汽車展上展出了新一代輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的氫燃料電池電動(dòng)汽車Sequels。通過電機(jī)實(shí)時(shí)精確地控制四個(gè)車輪的扭矩，該車不僅具有制動(dòng)能量回收功能，還進(jìn)一步提高了車輛穩(wěn)定性和牽引性能。美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)利用他們開發(fā)的四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，重點(diǎn)研究了驅(qū)動(dòng)和再生制動(dòng)模式下扭矩分配方法和節(jié)能控制方法。實(shí)車實(shí)驗(yàn)表明，整車所需驅(qū)動(dòng)扭矩在中低轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式相對(duì)于四輪等驅(qū)動(dòng)扭矩分配方式和兩輪驅(qū)動(dòng)方式，節(jié)能效果明顯。JunminWang研究了四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)、四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向車輛的集成控制算法⑸。日本豐田公司從上世紀(jì)九十年代末就開始重點(diǎn)研究輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車走向?qū)嵱没年P(guān)鍵技術(shù)，利用輪轂電機(jī)進(jìn)行ABS、TCS和ESC控制，研究通過控制驅(qū)動(dòng)力垂直分量來提高行駛舒適性，改善了車輛的操控和安全性能［6罰。東京大學(xué)開發(fā)了UOTElectricMarchI和UOTElectricMarchII兩款輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車。利用輪轂電機(jī)的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向和懸架系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)控制，進(jìn)行了車輛縱向滑移、橫向穩(wěn)定性和側(cè)傾穩(wěn)定性等控制策略方面的研究。并在如何提高控制系統(tǒng)的魯棒性、如何利用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)來估計(jì)車輛及路面狀態(tài)進(jìn)行了研究［9-10］。東京農(nóng)工大學(xué)開發(fā)了NOVEL-I和NOVEL-II兩款輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，據(jù)此研究了基于模型匹配控制理論的DYC控制策略和線控轉(zhuǎn)向的操縱穩(wěn)定性控制策略［11-12］。國(guó)內(nèi)關(guān)于分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的研究也取得了一定的發(fā)展，為今后進(jìn)一步的研究和開發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同濟(jì)大學(xué)余卓平教授團(tuán)隊(duì)研制的“春暉”和“登峰”系列電動(dòng)轎車采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，重點(diǎn)研究了四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的狀態(tài)、輪胎側(cè)偏剛度和路面附著系數(shù)估算方法，并提出了對(duì)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向和懸架結(jié)構(gòu)的電動(dòng)汽車進(jìn)行驅(qū)動(dòng)扭矩的LQR和WLS分配方法，以提高車輛的穩(wěn)定性和電機(jī)工作效率，并對(duì)橫擺力矩控制和變滑移率控制進(jìn)行了研究［13-16］。清華大學(xué)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車研究主要從提高穩(wěn)定性的目標(biāo)出發(fā)，對(duì)車輪縱向力進(jìn)行優(yōu)化分配，提高了直接橫擺力矩控制下的橫擺響應(yīng)速度，并考慮電機(jī)節(jié)能策略，保證正常驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下整車具有最佳經(jīng)濟(jì)性能。此外還研究了除通過轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)彎，還可以通過驅(qū)動(dòng)力分配進(jìn)行雙重轉(zhuǎn)向的控制策略［17-19］。吉林大學(xué)研究了四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)彎驅(qū)動(dòng)工況下轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制方法，改善了車輛的操縱穩(wěn)定性。在其仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中，開發(fā)了全線控輪轂電機(jī)主動(dòng)轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車，深入研究了線控四驅(qū)電動(dòng)汽車的集成控制方法［2。-22］。上海交通大學(xué)提出基于滑?？刂频乃妮啰?dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車穩(wěn)定性控制方法，側(cè)偏角和橫擺角速度聯(lián)合控制策略能夠?qū)①|(zhì)心側(cè)偏角控制在穩(wěn)定范圍內(nèi)，并跟蹤車輛的期望橫擺角速度。喻凡教授課題組提出了廣義執(zhí)行器-受控對(duì)象的車輛底盤集成控制體系，對(duì)車輛底盤集成控制展開了深入研究，采用滑?？刂品椒?、魯棒控制方法進(jìn)行了車輛4WS、縱向滑移率集成控制研究【23-26］。4存在難題與發(fā)展前景到目前為止分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的主動(dòng)安全控制研究為達(dá)到實(shí)用水平，在核心的底層控制方法上還存在改善空間。1）主動(dòng)安全控制系統(tǒng)對(duì)于驅(qū)動(dòng)器失效情況下的可靠性認(rèn)識(shí)不足；2）主動(dòng)安全控制系統(tǒng)沒有充分考慮到路面不均勻問題；3）對(duì)于輪胎-地面摩擦力的估計(jì)方法陳舊且缺少理論支持。也就是說，當(dāng)驅(qū)動(dòng)車輛的輪轂或輪邊電機(jī)失效，或者車輛行駛在不均勻路面上時(shí)，基于滑移率的驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)控制方式不能夠準(zhǔn)確偵測(cè)各輪胎與路面的摩擦狀態(tài)，從而使控制失效。但是相對(duì)于集中式驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)汽車或者電動(dòng)汽車來說，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車?yán)幂嗇灮蛘咻嗊咈?qū)動(dòng)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)安全控制，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1） 相對(duì)于液壓式制動(dòng)，電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)精確、平滑的扭矩輸出，且扭矩控制響應(yīng)快，就算用相同的控制算法，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車也可以更好地實(shí)現(xiàn)ESC/ABS/TCS等主動(dòng)安全控制。（2） 電機(jī)可以輸出正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)扭矩，在實(shí)施諸如ESC等二維或者三維動(dòng)力學(xué)控制時(shí)，可以使車輛同一時(shí)刻擁有更多的有效執(zhí)行機(jī)構(gòu)，整體控制增益高，系統(tǒng)控制能力強(qiáng)。（3） 分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的輪轂或者輪邊電機(jī)擺脫了機(jī)械差速器的束縛，可以獨(dú)立自由地進(jìn)行控制。充分挖掘分布式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的潛力，不僅可以增強(qiáng)車輛的主動(dòng)安全性，而且還可以提高車輛的行駛舒適性，即電子控制方式實(shí)現(xiàn)的操控性能。這在很大程度上彌補(bǔ)懸掛、輪胎等機(jī)械系統(tǒng)性能的不足。此外，由于省略了動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)部件，增大了乘坐空間，可實(shí)現(xiàn)靈活的底盤布置以及車體結(jié)構(gòu)增強(qiáng)等設(shè)計(jì)。因此，分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車具有最高的節(jié)能性能和最大的主動(dòng)安全實(shí)現(xiàn)潛力，是未來車輛發(fā)展的必然趨勢(shì)，作為其核心技術(shù)的主動(dòng)安全控制系統(tǒng)更具有廣闊的應(yīng)用前景。5總結(jié)在汽車100多年的發(fā)展史中，有關(guān)汽車的安全性能的研究發(fā)生了日新月異的變化。在談及未來電動(dòng)汽車安全技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)時(shí)，國(guó)際學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可主動(dòng)與被動(dòng)安全技術(shù)將充分實(shí)現(xiàn)一體化控制。隨著更加先進(jìn)的智能型傳感器、快速響應(yīng)執(zhí)行器、高性能電控單元、先進(jìn)的控制策略、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電動(dòng)汽車的安全技術(shù)問題將迎刃而解。同時(shí)伴隨著無負(fù)極電池的問世以及充電樁技術(shù)的快速發(fā)展，電動(dòng)汽車動(dòng)力問題將不再是制約其發(fā)展的瓶頸。在環(huán)境與能源危機(jī)日益嚴(yán)重的國(guó)際大背景下，電動(dòng)汽車以其高效能、低排放或零排放的優(yōu)勢(shì)必將成為未來汽車發(fā)展趨勢(shì)。參考文獻(xiàn)SatoshiMurata.InnovationbyIn-Wheel-MotorDriveUnit,KeynotePresentation.AVEC10,2010.熊璐，余卓平.輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)扭矩分配算法的仿真和評(píng)價(jià).計(jì)算機(jī)輔助工程，2010,19(1),pp.27-31，39.DejunYin,SehoonOh,YoichiHori.ANovelTractionControlforEVBasedonMaximumTransmissibleTorqueEstimation.IEEETransactionsonIndustrialElectronics,V)l.56,No.6,pp.2086-2094,June2009.NagaiM,ShinoM,GaoF.Studyonintegratedcontrolofactivefrontsteerangleanddirectyawmoment.JSAEReview.2002,23(3),pp.309-315.JunminWang,RaulGLongoria.CoordinatedVehicleDynamicsControlwithControlDistribution.2006AmericanControlConference,Minneapolis,Minnesota,2006.SatoshiMurata.InnovationbyIn-Wheel-MotorDriveUnit,KeynotePresentation.AVEC10,2010.SatoshiMurata.VehicleDynamicsInnovationwithIn-WheelMotor.SAEPaper,2011-39-7204.MakotoK.,KevinW.,HiroakiY..ImprovementofVehicleDynamicPerformancebyMeansofIn-WheelElectricMotors.MitsubishiMotorTechnicalReview,2006.C.Geng,LotfiM.,MouloudD.,HoriY..Directyaw-momentcontrolofanin-wheel-motoredelectricvehiclebasedonbodyslipanglefuzzyobserver.IEEETrans.onIndustrialElectronics,2009.KawashimaK.,UchidaT,HoriY..Rollingstabilitycontrolutilizingrolloverindexforin-wheel-motorelectricvehicle.IEEJTrans.onIndustryApplications,2010.Nagai,Masao.ThePerspectiveofResearchforEnhancingActiveSafetyBasedonAdvancedControlTechnology,JAutomotivesafetyandEnergy,2010,1(1),pp.14-22.MasaoNagai,SachikoYamanaka,YutakaHirano.IntegratedControlofActiveRearWheelSteeringandYwMomentControlUsingBrakingForce.JSMEInternationalJournal.SeriesC，1999,42(2),pp.301-308.余卓平，高曉杰，張立軍.用于車輛穩(wěn)定性控制的直接橫擺力矩及車輪變滑移率聯(lián)合控制研究.汽車工程，2006，28(9)，pp.844-848.LuXiong,ZuopingYuandYufengMeng.VehicleDynamicControlfora4In-Wheel-MotoredEVbasedonIdentificationofTireCorneringStiffness.AVEC10,2010.余卓平，姜煒，張立軍.四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車扭矩分配控制.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36(8)，pp