机械设计课程报告

分布式驱动电动汽车一体化主动安全控制综述单丹凤514101001259摘要：随着电动汽车的快速发展，主动安全控制技术成为了电动汽车领域的最新研究热点。本文通过对比传统电动汽车主动安全控制技术，总结了近年来有关分布式驱动电动汽车一体化主动安全控制的研究现状及发展前景等。重点介绍了国内外关于该技术的发展动态以及现阶段仍然存在的难点问题。纵观汽车行业，分布式电动汽车一体化主动安全控制成为电动汽车发展史上的里程碑。关键字：电动汽车；主动安全控制；一体化1前言电动汽车以电池和电机为动力源，作为交通运输工具来说，它具有驱动电机效率高、噪音低、可使用再生制动回收刹车动能等优点。2011年我国政府在《国民经济和社会发展第十二个五年规划》及《节能与新能源汽车发展规划》中明确指出，电动车辆未来将是国际车辆节能减排的最佳选择，是我国战略性新兴产业。近年来，国际学术界以及企业研究所都纷纷展开研究，充分利用分布式驱动结构的优点，致力于全电力或液电混合驱动式主动安全系统的开发研究。目前，美国、日本以及国内诸多企业与高校在分布式驱动电动汽车的很多关键技术上已经取得重大成就，但是核心技术大部分仍然集中在国外。电动汽车可以按照电机驱动的拓扑结构分为两大类：动力集中式电动汽车，分布式驱动电动汽车。前者沿用内燃机汽车的动力驱动结构，以电机取代发动机，以电池取代油箱，保留传统的减速机构与差速器。而分布式驱动电动汽车则是车轮内置或者旁置动力源，电机直接驱动车轮，省略了传统汽车动力传动系统中的变速器、传动装置、差速器等存在机械磨损和能量损失的部件，可以大大提高节能水平及降低电池容量要求［11。车辆主动安全控制系统最基本的要求是防止车辆打滑，主要目的是保持车辆于惯性行驶过程中车辆姿态与驾驶者预期行驶轨迹一致。其核心技术包含防抱死刹车系统ABS(Anti-lockBrakeSystem)，驱动控制系统TCS(TractionControlSystem)与电子车身稳定系统ESC(ElectronicStabilityControl)o其中ESC技术所能确保的安全性与稳定性最佳，能最大限度地确保车辆在各种路况上的安全，以及各种剧烈驾驶条件下车辆行驶的稳定性。本文主要介绍了分布式电动汽车一体化主动安全控制的研究背景、研究意义、国内外现状以及目前面临的主要问题和未来发展动向，通过阅读本文可以让读者对分布式驱动电动汽车一体化主动安全控制的基本含义及发展现状有一个全局掌握。2研究背景及意义电动汽车的安全技术包括主动安全技术和被动安全技术两方面。电动汽车安全设计要从整体上来考虑，不仅要在事故发生时尽量减少乘员受伤的机率，而且更重要的是要在轻松和舒适的驾驶条件下帮助驾驶员避免事故的发生。过去，安全设计主要考虑被动安全系统，如设置安全带、安全气囊、保险杠等。现在设计师们更多考虑的则是主动安全设计，主动采取措施避免事故的发生。主动安全控制系统最基本的要求是防止车辆打滑，主要目的是保持车辆在惯性行驶过程中车辆姿态与驾驶者预期行驶轨迹一致。传统主动安全控制系统中，最前沿核心技术电子车身稳定系统ESC能保证车辆具有最佳的安全性与稳定性。在分布式驱动电动汽车一体化主动安全控制中，充分利用电机驱动的特点，深入研究了二维运动控制条件下，单个车轮与路面间的最大可传递扭矩的估计方法，并使用其估计值完成防滑控制［2】。与传统的主动安全系统ABS、TCS、ESC模块不同，分布式驱动电动汽车一体化主动安全控制将整个防滑控制模块作为ESC系统的一个底层控制单元，从而构建先进且实用的一体化主动安全系统⑶。为电动车辆动力总成控制、主动安全控制、车辆辅助驾驶以及自动驾驶控制等打下了坚实的基础。3国内外发展现状作为当代汽车行业最热门最具发展潜力的技术研究，分布式驱动电动汽车一体化主动安全控制已然成为国际学术界以及企业研究所的新宠。各大高校、企业、研究所都充分利用分布式驱动结构的优点，致力于研究和开发全电力或者液电混合驱动式主动安全系统。美国通用汽车公司2003年开发了后轮轮毂电机驱动的雪弗兰轻型电动汽车，在2005年北美国际汽车展上展出了新一代轮毂电机驱动的氢燃料电池电动汽车Sequels。通过电机实时精确地控制四个车轮的扭矩，该车不仅具有制动能量回收功能，还进一步提高了车辆稳定性和牵引性能。美国俄亥俄州立大学利用他们开发的四轮轮毂电机驱动电动汽车，重点研究了驱动和再生制动模式下扭矩分配方法和节能控制方法。实车实验表明，整车所需驱动扭矩在中低转矩范围内，采用四轮独立驱动方式相对于四轮等驱动扭矩分配方式和两轮驱动方式，节能效果明显。JunminWang研究了四轮独立驱动与制动、四轮独立转向车辆的集成控制算法⑸。日本丰田公司从上世纪九十年代末就开始重点研究轮毂电机驱动电动汽车走向实用化的关键技术，利用轮毂电机进行ABS、TCS和ESC控制，研究通过控制驱动力垂直分量来提高行驶舒适性，改善了车辆的操控和安全性能［6罚。东京大学开发了UOTElectricMarchI和UOTElectricMarchII两款轮毂电机驱动电动汽车。利用轮毂电机的特点，采用传统转向和悬架系统，实现了四轮独立驱动/制动控制，进行了车辆纵向滑移、横向稳定性和侧倾稳定性等控制策略方面的研究。并在如何提高控制系统的鲁棒性、如何利用四轮独立驱动电动汽车的优势来估计车辆及路面状态进行了研究［9-10］。东京农工大学开发了NOVEL-I和NOVEL-II两款轮毂电机驱动电动汽车，据此研究了基于模型匹配控制理论的DYC控制策略和线控转向的操纵稳定性控制策略［11-12］。国内关于分布式驱动电动汽车的研究也取得了一定的发展，为今后进一步的研究和开发打下了坚实的基础。同济大学余卓平教授团队研制的“春晖”和“登峰”系列电动轿车采用轮毂电机驱动技术，重点研究了四轮驱动电动汽车的状态、轮胎侧偏刚度和路面附着系数估算方法，并提出了对传统转向和悬架结构的电动汽车进行驱动扭矩的LQR和WLS分配方法，以提高车辆的稳定性和电机工作效率，并对横摆力矩控制和变滑移率控制进行了研究［13-16］。清华大学四轮独立驱动电动汽车研究主要从提高稳定性的目标出发，对车轮纵向力进行优化分配，提高了直接横摆力矩控制下的横摆响应速度，并考虑电机节能策略，保证正常驱动状态下整车具有最佳经济性能。此外还研究了除通过转向盘转弯，还可以通过驱动力分配进行双重转向的控制策略［17-19］。吉林大学研究了四轮独立驱动电动汽车转弯驱动工况下转矩协调控制方法，改善了车辆的操纵稳定性。在其仿真与控制国家重点实验室中，开发了全线控轮毂电机主动转向电动汽车，深入研究了线控四驱电动汽车的集成控制方法［2。-22］。上海交通大学提出基于滑模控制的四轮独立驱动电动汽车稳定性控制方法，侧偏角和横摆角速度联合控制策略能够将质心侧偏角控制在稳定范围内，并跟踪车辆的期望横摆角速度。喻凡教授课题组提出了广义执行器-受控对象的车辆底盘集成控制体系，对车辆底盘集成控制展开了深入研究，采用滑模控制方法、鲁棒控制方法进行了车辆4WS、纵向滑移率集成控制研究【23-26］。4存在难题与发展前景到目前为止分布式驱动电动汽车的主动安全控制研究为达到实用水平，在核心的底层控制方法上还存在改善空间。1）主动安全控制系统对于驱动器失效情况下的可靠性认识不足；2）主动安全控制系统没有充分考虑到路面不均匀问题；3）对于轮胎-地面摩擦力的估计方法陈旧且缺少理论支持。也就是说，当驱动车辆的轮毂或轮边电机失效，或者车辆行驶在不均匀路面上时，基于滑移率的驱动或制动控制方式不能够准确侦测各轮胎与路面的摩擦状态，从而使控制失效。但是相对于集中式驱动内燃机汽车或者电动汽车来说，分布式驱动电动汽车利用轮毂或者轮边驱动电机来实现主动安全控制，具有以下优点：（1） 相对于液压式制动，电机能够实现精确、平滑的扭矩输出，且扭矩控制响应快，就算用相同的控制算法，分布式驱动电动汽车也可以更好地实现ESC/ABS/TCS等主动安全控制。（2） 电机可以输出正转或者反转扭矩，在实施诸如ESC等二维或者三维动力学控制时，可以使车辆同一时刻拥有更多的有效执行机构，整体控制增益高，系统控制能力强。（3） 分布式驱动电动汽车的轮毂或者轮边电机摆脱了机械差速器的束缚，可以独立自由地进行控制。充分挖掘分布式驱动结构的潜力，不仅可以增强车辆的主动安全性，而且还可以提高车辆的行驶舒适性，即电子控制方式实现的操控性能。这在很大程度上弥补悬挂、轮胎等机械系统性能的不足。此外，由于省略了动力传动系统部件，增大了乘坐空间，可实现灵活的底盘布置以及车体结构增强等设计。因此，分布式驱动电动汽车具有最高的节能性能和最大的主动安全实现潜力，是未来车辆发展的必然趋势，作为其核心技术的主动安全控制系统更具有广阔的应用前景。5总结在汽车100多年的发展史中，有关汽车的安全性能的研究发生了日新月异的变化。在谈及未来电动汽车安全技术的发展趋势时，国际学术界广泛认可主动与被动安全技术将充分实现一体化控制。随着更加先进的智能型传感器、快速响应执行器、高性能电控单元、先进的控制策略、计算机网络技术、移动通信技术的广泛应用，电动汽车的安全技术问题将迎刃而解。同时伴随着无负极电池的问世以及充电桩技术的快速发展，电动汽车动力问题将不再是制约其发展的瓶颈。在环境与能源危机日益严重的国际大背景下，电动汽车以其高效能、低排放或零排放的优势必将成为未来汽车发展趋势。参考文献SatoshiMurata.InnovationbyIn-Wheel-MotorDriveUnit,KeynotePresentation.AVEC10,2010.熊璐，余卓平.轮毂电机驱动电动汽车轮毂电机扭矩分配算法的仿真和评价.计算机辅助工程，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，高晓杰，张立军.用于车辆稳定性控制的直接横摆力矩及车轮变滑移率联合控制研究.汽车工程，2006，28(9)，pp.844-848.LuXiong,ZuopingYuandYufengMeng.VehicleDynamicControlfora4In-Wheel-MotoredEVbasedonIdentificationofTireCorneringStiffness.AVEC10,2010.余卓平，姜炜，张立军.四轮轮毂电机驱动电动汽车扭矩分配控制.同济大学学报，2008，36(8)，pp