分布式驅動電動汽車驅動控制技術研究現狀與發展*

程 航，單金良，史揚杰，李 磊，王凱強

(揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

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

1 分布式驅動電動汽車

1.1 分布式驅動電動汽車的結構

分布式驅動形式可根據驅動電機的安裝位置分為輪邊電機驅動和輪轂電機驅動，其結構示意如圖1所示。

圖1 分布式驅動電動汽車的結構框圖

輪邊電機驅動是電機通過減速機構將動力由傳動軸傳遞給驅動輪，由于萬向節的存在，可以將傳動軸傾斜布置，這樣就可以將電機及減速機構安裝于車架上。因此，電機和減速機構的質量均為簧載質量，從而有利于提高汽車的平順性。但該類形式的結構不夠緊湊，而且由于減速機構的存在將會導致一部分機械功率的損失。但是，也正因為該減速機構的存在，使其驅動系統中可以選用較高轉速的電機，由于高轉速電機的質量和體積相對較小，將有利于空間布置和提高汽車的動力性。

圖2為輪轂電機驅動結構框圖，是將電機直接安裝在驅動輪內或者驅動輪附近，具有驅動傳動鏈短、傳動效率高、結構緊湊等突出優點。電動機是汽車信息單元，同樣也是快速反應的控制執行單元，通過獨立控制電動機驅/制動轉矩容易實現多種動力學控制功能。同時采用輪轂電機可以獨立控制驅動輪轉矩，其操縱穩定性高；在結構上取消了傳統變速箱、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，提高了動力系統的傳動效率；并且輪轂電機可獨立控制每個車輪的驅動模式和制動模式，有利于優化能量分配策略，降低驅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 輪轂電機驅動結構框圖

1.2 分布式電動汽車的優勢

分布式驅動電動汽車較傳統集中驅動式電動汽車或四輪驅動車輛而言，最大的區別在于其各個車輪可以實現單獨驅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的分布式驅動車輛可以進一步實現液壓制動方式的單獨制動。與傳統動力總成的車輛相比，分布式驅動電動車具有如下優勢：

(1) 便于實現精確的車輛主動安全控制。傳統的車輛主動安全控制通常采用驅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特性。分布式驅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，實現制動的效果。電機作為執行器具有控制精度高、響應時間快、轉矩轉速精確的特點，在驅/制動控制中，由于車輛受力狀況可以通過電機反饋獲知，因此車輛動力學狀態估計變得更為準確及時。同時，通過改變電機的驅動力和回饋制動力，可以快速地對車輛進行干預，從而提高了干預的時效性和準確性。

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

(3) 便于實現靈活的車輛底盤布置。分布式驅動電動汽車取消了傳統車輛中的發動機、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，與集中驅動式電動汽車不同，分布式驅動電動汽車采用輪轂或輪邊電機進行驅動，大大提高了動力傳輸系統的集成度，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，調整整車的質心位置和車架的受力狀況，從而改善車輛的動態特性和碰撞安全性。

(4) 便于實現車輛的一體化控制。電子控制系統的融合和協調控制是汽車整車安全控制的發展方向，諸如電子穩定性控制系(ESC，Electric Stability Control)、主動轉向系統(AFS，Active FrontSteering)、自適應巡航控制系統(ACC，Adaptive Cruise Control)。傳統車輛中，不同的電子控制系統對發動機、液壓制動系統和轉向系統具有不同的控制方式，執行器的多樣化提高了協調控制的難度。分布式驅動電動汽車單輪驅動和制動控制的執行器都是電機，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動和制動控制過程中不同系統之間的協調問題，從而簡化控制過程且提高可靠性。

(5) 提高車輛在部分驅動電機失效情況下的可靠性。分布式驅動電動汽車各驅動電機互為冗余，提高了整車系統的可靠性，當單個或多個電機發生故障無法正常工作時，通過對系統工作方式的重構，合理分配驅動力在剩余驅動電機間的分布，可以在保證車輛穩定的前提下，最大限度地利用剩余的驅動力，確保系統仍然能夠穩定工作。

2 電子差速技術及實現途徑

機械差速器的基本功能是防止轉向行駛或不平路面行駛時驅動輪過度滑移與滑轉，而分布式驅動電動汽車需要采用電子差速系統實現類似機械差速器的基本功能。

2.1 電子差速技術

電子差速技術是分布式驅動電動汽車驅動控制領域的關鍵技術，分布式驅動電動汽車的差速轉向控制基本上都是采用對各輪轂電機的轉速和轉矩的調節來實現的[1-2]。以控制車輪轉速來實現對分布式驅動電動汽車進行差速轉向為例，首先需要進行數模轉換的是方向盤的角度輸出信號，轉換成模擬信號方便電子差速控制系統接收，其次需要對輸入的相關值進行標定，即方向盤的角度輸出值和整車控制器的模擬量，獲得轉向時驅動電機轉速與不同位置方向盤的對應關系。在轉向執行時，車輛轉向角對應的模擬信號被整車控制器接收，并分析其變化，內外側車輪在執行控制器內控制程序命令下產生速度差，進而實現車輛轉向。

為了使分布式驅動電動汽車在不同路況條件下實現差速轉向，需不斷開發設計多種新型電子差速器。多數新型分布式電動車車輪驅動是使用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動輪的轉矩和轉速進行合理分配，可以大幅度減少機械傳動部件數量，并具備傳動效率高、空間結構大、底盤系統的電子化和主動化更加容易實現等優點。

2.2 電子差速技術實現途徑

電動汽車采用的控制策略和驅動方式不同，也會導致電子差速器的設計不相同。以輪轂電機驅動為例,電機直接驅動車輪，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量。但是為了實現差速器的作用效果，需要較為復雜的控制算法分別對輪轂電機進行控制，即電子差速技術。電子差速技術的實現方法有兩種：①通過控制器分別調節各驅動電機的轉速和轉矩實現差速，該方法可以以車輪轉速為控制變量，也可以以驅動輪滑轉率為控制目標來實現，前者受外界影響較大，且對電機的要求比較高，后者無法實現小滑轉率的實時監控；②通過驅動電機的結構實現差速，該方法對電機的結構要求較高，加工難度較大，無法充分發揮輪轂電機的優勢。

隨著電子控制技術的飛速發展以及控制理論的日益完善，電子差速技術作為電動汽車的核心技術，必將得到長足的研究與發展。

3 橫向穩定性控制技術

分布式驅動電動汽車在轉向行駛工況下，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，會使得汽車發生側滑、甩尾及側翻等險情。對此國內外的高校及科研單位紛紛致力于提高分布式驅動電動汽車橫向穩定性來保障行車安全，并提出了如下相關可用于提升車輛橫向穩定性的方法。

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心側偏角進行調節，這種考慮縱向動力學的控制策略可達到對汽車橫向穩定性的調控。李少坤[4]引入了車輛非線性對橫向穩定性的作用效果，采用滑模控制算法來展開對理想質心側偏角及橫擺角速度的實時監測控制，仿真表明滑模控制算法使得車輛橫向穩定系統的魯棒性以及快速響應性能顯著提高。王進[5]等提出利用分布式驅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心側偏角為控制指標，給出了一種模糊滑模車輛橫向穩定性的控制方案，仿真表明其提出的方案能夠有效地調節汽車姿態并增強車輛的橫向穩定性。

3.2 力與力矩的分配控制

林程等[6]為實現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矩的調整，從而提出了一種基于分布式側向穩定性的遞階控制方法。LiB等[7]提出了一種基于優化函數的車輛質心縱、橫向力與橫擺力矩的最優控制，通過設計參數權重因子，很好地控制了分布式電動車橫向穩定性。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，實現了對橫向穩定性的控制。張志勇[9]等通過對每個車輪進行獨立控制，結合差動制動與差動驅動，描述了一種基于直接橫擺力矩的轉矩分配控制策略。

4 多目標協調集成控制技術

關于多目標協調集成控制技術的研究旨在基于一些完善的集成控制理論對電動汽車驅動系統、制動系統、轉向系統及懸架系統等子系統的控制功能進行效率協調優化，尋找一種最優的控制方案，合理協調各子系統在運作時的時序和效能，盡量減少各子系統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自適應性調整策略，據此來獲得更優的操縱穩定性、乘坐舒適性和能源經濟性。洪濡[10]等人就改進的車輛二自由度模型制定系統控制目標，充分考慮車輪負載和輪轂電機驅動效率對車輛行駛穩定性與電機能量利用效率的交互影響。依據車輪側向力觀測值設計基于滑模變結構控制理論的車輪橫擺力矩控制器，再經由優化分配策略算法完成對驅動力矩和能量效率的合理分配。李剛[11]等人通過對車輪驅動力矩控制分配規則和主動懸架控制方法的研究，采取分層集成控制的理念,設計了模型預測控制器，實現了對轉向系統、驅動系統和懸架系統的全局集成控制,并通過仿真實驗對算法進行了驗證，結果表明集成控制優化能有效提高車輛穩定性和主動安全性能。賈曉峰[12]提出了動態多目標控制分配策略，并通過MATLAB/Simulink和Car Sim聯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效果。諸多試驗結果表明：電動汽車底盤多目標集成控制系統對各工況能夠實現實時響應，能夠顯著提升車輛的綜合性能。綜上所述，多目標協調集成控制對電動汽車實現較高的操縱穩定性、乘坐舒適性和能源經濟性有著重大且深遠的意義。

5 總結與展望

目前，雖然在分布式驅動電動汽車的驅動控制策略領域有所突破，但仍不足以精確地模擬出電動汽車在運動過程中的復雜工況，且基于阿克曼轉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、車輪無側偏的情況，并不適用于車輛所有轉向工況，同時自適應電子差速控制策略降低了差速行駛性能；其次，盡管應用于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用階段較遠，且缺乏考慮DYC轉矩優化分配算法求解的實時性；再者，分布式驅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定性，而對非限制條件下的研究較少。

多目標協調集成控制技術作為所有多輪驅動電動汽車動力學控制的重要研究內容,其相當于一個多執行器的冗余系統，整體的故障率相對較高，控制系統應能夠及時檢測各個電機的工作狀態，并反饋給系統進行故障電機與正常電機的轉矩協調分配，實現整車主動安全的可靠控制，因此分布式驅動電動汽車驅動系統的故障檢測、診斷與容錯控制方法的研究也是重要的研發方向之一。