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分布式驱动电动汽车转矩控制研究（申请清华大学工学硕士学位论文）培养单位：汽车工程系学 科：动力工程及工程热物理研 究 生：马 良 峰指导教师：欧阳明高 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 Engineering ThermophysicsbyMa LiangfengThesis Supervisor：Professor Ouyang MinggaoMay, 2016摘要摘要发展电动汽车已经成为应对交通领域的能源安全问题与空气污染问题的共同选择。在各类电动汽车中，分布式电驱动被认为是纯电驱动汽车的前沿技术，在动力性和能效方面具有很大的潜力。分布式电驱动系统具有控制灵活、响应快的优势，同时也带来了相应的研究热点问题，比如各个驱动轮的转矩应该如何控制，才能使电动汽车的能效和动态性能得到优化？本课题围绕能效优化和动态响应控制优化两个问题展开研究。在以能效优化为目标的转矩控制方面，目前大多研究是采用基于模型的算法，需要电机等部件的大量测试标定模型，本文采用了一种基于黄金比例搜索算法的前后轴转矩分配策略，可实现在驱动系统性能参数不确定情况下的在线实时转矩最优分配。但该算法的主要问题是搜索过程中的转矩波动问题，针对这一问题，本课题在其基础上提出了最优分配系数自动标定算法，可实现优化分配系统的自动标定，解决了实时搜索算法的转矩波动问题。 在分布式驱动电动汽车动力系统动态响应控制优化方面，主要内容是针对轮毂电机驱动系统对外界突变载荷激励敏感，路面条件变化时抖动剧烈的情况，提出了电子转动惯量算法，从算法层面模拟实际转动惯量的作用，在不增加汽车簧下质量的情况下降低了轮毂电机驱动系统对外界激励的敏感性，并通过转矩补偿算法，解决了车辆目标加速性能下降的问题。课题搭建了Matlab/Simulink和Carsim联合仿真平台， 在此平台上对提出的转矩分配算法和转矩动态响应控制算法的功能进行了仿真验证。结果表明：在NEDC工况和中国乘用车典型城市工况下，采用最优分配系数自动标定算法，可以相比转矩平均分配分别节能12.5%和7.4%；采用电子转动惯量算法，可以有效缓和在不良路面上行驶时车轮转速的大幅波动。为了验证以上研究成果在工程上应用的可行性，分别搭建了基于xPC和控制器的硬件在环仿真平台。应用自动代码生成技术，将算法模型转化成控制器可执行代码并移植到KPV13快速原型控制器中进行测试，结果证明实车控制系统的运算和通讯能力能够满足实时搜索算法的要求，上述控制算法在实际控制系统中可用。关键词：分布式驱动；轮毂电机；转矩分配；自动标定；动态响应控制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 technologies. 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 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 vehicle 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 torque 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 impulses 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 electronic 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 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 application, 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 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 systems.Key words: Distributed drive; in-wheel-motor; torque distribution; automatic calibration; dynamic response control目录目 录第1章引言11.1 课题背景与选题意义11.1.1 研究背景11.1.2 分布式电驱动系统21.1.3 分布式驱动微型平台车项目41.1.4 选题及意义41.2 相关领域的研究现状综述61.2.1 分布式驱动电动汽车转矩分配研究61.2.2 电动汽车动力系统转矩动态响应控制研究91.3 课题的主要研究内容和方法101.4 本文结构11第2章分布式驱动电动汽车联合仿真建模方法研究122.1 本章引言122.2 Matlab/Simulink与Carsim联合仿真平台122.3 Carsim车辆模型132.3.1 车辆基本参数设置142.3.2 轮胎模型142.3.3 对标动力系统模型152.3.4 电机模型172.4 本章小结21第3章分布式电驱动系统转矩分配算法优化223.1 本章引言223.2 直行工况下效率最优的转矩分配策略223.2.1 黄金比例搜索算法概述233.2.2 永磁同步电机转矩分配综合效率的凸特性校验253.2.3 黄金比例搜索算法的实现及联合仿真263.2.4 最优分配系数自动标定算法293.3 转弯工况下效率最优的转矩分配策略373.3.1 低转速下永磁同步电机效率模型简化373.3.2 效率最优的转矩分配策略制定383.3.3 基于Ackerman转向梯形的四轮转速差异性分析393.3.4 低速转矩分配策略的效率优化潜力分析403.4 本章小结42第4章轮毂电机驱动系统动态响应控制优化444.1 本章引言444.2 电子转动惯量概念提出444.3 转矩补偿算法设计454.4 动态响应控制算法的联合仿真验证474.5 本章小结49第5章整车分布式控制算法的硬件在环仿真505.1 本章引言505.2 自动代码生成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 代码生成与下载545.3 基于xPC平台的硬件在环仿真545.3.1 仿真系统架构555.3.2 软硬件配置565.3.3 底层驱动配置585.3.4 仿真结果585.4 以控制器为对象的硬件在环仿真615.4.1 仿真系统架构625.4.2 仿真结果635.5 本章小结65第6章总结与展望666.1 总结666.2 展望67参考文献68致 谢72声明73附录A 改装车辆及电机、电机控制器选型74附录B 分布式电驱动通讯协议77个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果84主要符号对照表主要符号对照表物理量符号：d两侧轮距FX 轮胎纵向力FY 轮胎侧向力FZ轮胎垂直力g 重力加速度h 质心离地高度i0 主减速器传动比ig 变速箱传动比Iij 各个驱动轮电机的电流，ij = lf, rf, lr, rr分别表示左前轮，右前轮，左后轮，右后轮Je 变速箱之前的旋转件转动惯量，包括发动机、飞轮等Jeq 动力系统所有旋转件等效到轮端的转动惯量Jf 飞轮转动惯量Jg 变速箱的转动惯量，等效到输出轴Jm 电机转动惯量Jw 车轮转动惯量Jxx车身侧倾转动惯量Jyy车身俯仰转动惯量Jzz车身横摆转动惯量k转矩分配系数K最优转矩分配系数矩阵l 轴距lf质心距前轴距离lr 质心距后轴距离L电机感抗Ld电机直轴感抗Lq 电机交轴感抗m整车质量MZ 轮胎回正力矩nR 电机额定转速p电机极对数PCu 电机铜耗PFe 电机铁耗Ps 电机杂散损耗Pm 电机机械损耗Ploss 电机总损耗Pin 电机输入功率Pout 电机输出功率r 轮胎有效滚动半径Ra 电机线圈电阻Ri 电机铁耗电阻Raj 前后轴电机线圈电阻，j = f表示前轴，j = r表示后轴Ttotal总转矩Tj前后轴的转矩，j = f表示前轴，j = r表示后轴Tij各个驱动轮的转矩，ij = lf, rf, lr, rr分别表示左前轮，右前轮，左后轮，右后轮Tin输入转矩Tout输出转矩Tk转矩向量Tf 电机摩擦转矩TR 电机额定转矩v车速vcut-off 轮胎动态迟滞修正临界车速vk车速向量vmax最大车速w轮距 汽车旋转质量换算系数驱动系统综合效率m 电机效率T 传动系统效率左前轮转向角右前轮转向角黄金比例搜索算法与普通比例搜索算法的速度之比路面附着系数轮胎动态迟滞距离X轮胎纵向动态迟滞距离YZ轮胎侧向及回正动态迟滞距离j前后轴电机的转矩/电流系数，j = f表示前轴，j = r表示后轴f 电机永磁体磁链ij 各个驱动轮电机的角速度缩略词：BEV纯电动汽车（Battery Electric Vehicle）DSC动态稳定控制系统（Dynamic Stability Control）EV电动汽车（Electric Vehicle）ESP车身电子稳定系统（Electronic Stability Program）FCEV燃料电池汽车（Fuel Cell Electric Vehicle）GPS全球定位系统（Global Positioning System）HIL硬件在环仿真（Hardware In the Loop）INS惯性导航系统，陀螺仪（Inertial Navigation System）NEDC新欧洲标准行驶循环（New European Driving Cycle）PHEV插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）RCP快速控制原型（Rapid Control Prototype）RTWMatlab的实时仿真工具（Real Time Workshop）RtwinMatlab的实时仿真平台（Real Time Windows Target）VDC车辆动态控制（Vehicle Dynamic Control）VSC车辆稳定控制（Vehicle Stability Control）VSA车辆稳定辅助控制（Vehicle Stability Assist Control）xPCMatlab的实时仿真平台第1章 引言第1章 引言1.1 课题背景与选题意义1.1.1 研究背景随着环保和节能两大问题的日益凸显，电动汽车成为可持续交通体系的重要选择。在我国，发展电动汽车已经上升为国家战略1。纯电驱动汽车（EV）除了纯电动汽车（BEV），也包括燃料电池汽车（FCEV）和插电式混合动力汽车（PHEV）。混合动力汽车发展相对较快，以丰田Prius为代表的混合动力车型率先在全球实现大规模产业化，截止2015年7月，全球累计销量已经超过800万辆2。在此基础上，丰田进一步推出了插电式版本的Prius。国内插电式混合动力汽车从2013年开始起步并快速发展，2013年、2014年、2015年销量分别为3038辆3，29715辆4和83610辆5。目前代表车型包括比亚迪的秦和唐，上汽的荣威e550。世界上最早的电动汽车的问世其实要追溯到内燃机汽车出现之前。早在1900年，保时捷和大众汽车的创始人费迪南德-保时捷就研制了一台前轮轮毂电机驱动的电动汽车，如图 1.1所示6，时速达到了58 km/h，但是由于当时技术条件限制，电动汽车不得不将舞台让位给了内燃机汽车。图 1.1 费迪南德-保时捷研发的轮毂电机驱动电动汽车近年来随着电池、电机、电控三大技术的进步7,8，尤其是锂电池技术的不断发展，电动汽车重新进入人们的视野。从2013年起，电动汽车进入产业化进程的加速阶段，各大车企的量产车型相继上市。乘用车方面比较典型的有日产Leaf，特斯拉Model S、Model X，宝马i3。国内代表车型有北汽EV系列，江淮iEV系列，比亚迪戴姆勒合资的腾势电动汽车，长安逸动电动汽车，上汽e50电动汽车等。此外，国内市场微型纯电动轿车快速发展，典型车型包括大洋洲知豆，众泰云100，吉利康迪等。我国的纯电动客车产业发展迅速，目前保有量已经全球领先。燃料电池作为电动汽车的前沿技术，近几年发展迅速。美国、日本、欧盟都投入大量人力物力开发燃料电池汽车。通用、福特、丰田、本田、现代、奔驰、宝马等大公司都已经开发出各自的燃料电池汽车并在道路上进行了运行测试9。以丰田Mirai为代表的燃料电池汽车已经逐步走上了产业化销售的道路。1.1.2 分布式电驱动系统纯电驱动系统按照构型可以分成集中式驱动和分布式驱动两类。集中式驱动系统结构与传统的内燃机动力系统结构比较接近，发动机由电池和电机代替，变速器、传动轴、差速器等结构仍然保留。目前，主流分布式驱动系统包括轮毂电机驱动系统和轮边电机驱动系统两种，如图 1.2所示10。其中轮边电机驱动的电动汽车电机布置在车轮内侧，输出轴通过减速箱与驱动轮相连11。这种构型的特点是电机位于悬架之上，不会额外增加簧下质量，所以不会影响汽车行驶的平顺性。轮毂电机驱动的电动汽车电机集成在轮毂中，动力系统集成度更高。缺点是增加了簧下质量，影响平顺性，对悬架设计提出了更高的要求。图 1.2 电动汽车拓扑结构相比于内燃机驱动汽车，纯电驱动汽车具有环境友好，动力响应快，转矩控制精确等优势。另外，相比集中式单电机驱动构型，分布式驱动还具有以下优点：（1）可以单独控制每个电机的输出转矩，动力可控自由度高，可以实现更加优化的整车动态协调控制；（2）由于采用了线控技术，省却了变速箱、传动轴、主减速器、差速器等机械传动结构，大大简化了动力系统结构，一方面可以提高传动效率，另一方面有利于整车轻量化；（3）动力系统高度模块化，有利于空间布置，可以降低汽车底盘和重心，这对提高汽车的操纵稳定性具有重大意义。从这个角度，轮毂电机驱动的优势更加明显。针对分布式驱动电动汽车，目前国内外很多高校和研究机构已经开发出了原型车并进行了相应的研究。国外高校中，典型的有日本东京大学Hori教授团队开发的轮毂电机四轮独立驱动的UOT Electric March 2电动汽车12；东京大学的Fujimoto教授团队开发的轮毂电机两后轮独立驱动的EV FPEV2-Kanon电动汽车13；美国俄亥俄州立大学Wang Junmin教授的实验室开发的轮毂电机四轮驱动的EGV型电动汽车14；美国麻省理工大学的Media Lab团队开发的采用轮毂电机驱动的City Car可折叠微型车15；日本应庆义塾大学的研发小组主导研制的Eliica八轮独立驱动高速电动汽车16；国内高校中，典型的有清华大学欧阳明高教授课题组开发的轮毂电机四轮驱动的哈利电动汽车；李克强教授课题组开发的采用轮毂电机四轮驱动的实验平台车；吉林大学开发的轮毂电机四轮驱动原型车17；同济大学“春晖”系列四轮独立驱动电动汽车18；北京理工大学在北汽EV200基础上开发的轮毂电机四轮驱动试验车等。目前分布式驱动仍然存在一些问题，例如采用多个电机驱动以后制造成本的增加，轮毂电机带来的簧下质量增加的问题及剧烈震动下电机的可靠性、密封性等问题。这些问题导致分布式驱动在量产车上的应用还不多，但是分布式驱动的发展前景是有目共睹的，所以不少车企在研发分布式驱动的电动汽车上投入了很多精力，先后都开发出了各自的概念车型。通用公司在2001年试制了四轮轮毂电机驱动的Autonomy燃料电池概念车19，在2005年推出了后轮采用轮毂电机驱动，前轮采用单电机驱动的Sequel燃料电池汽车20；三菱公司在2005年推出了后轮轮毂电机驱动的Colt EV电动汽车，之后几年推出了系列车型21,22；丰田公司先后在2003年和2004年的北美国际车展上推出了四轮轮毂电机驱动的FINE-X和FINE-T燃料电池概念车23；本田公司研发的FCX燃料电池汽车也有采用轮毂电机驱动的车型23；标致公司在2009年的法兰克福车展上推出了后轮轮毂电机驱动的Peugeot BB1微型概念车，电机由Michelin公司联合开发24。另外除了整车企业，一些零部件供应商如轮胎、电机等供应商也开始进行轮毂电机的开发。法国Michelin轮胎公司在2008年巴黎车展上推出的主动轮系统，将电机、悬架和制动系统全都集成在轮毂内，结构紧凑25；英国Protean公司前身是成立于1963年的PML（Printed Motor Limited）公司，于2009年从PML分离出来。目前Protean公司和PML公司都从事车用轮毂电机系统的开发。Protean公司用自己开发的电机改装了多款样车，包括沃尔沃插电式混合动力汽车SHEV、福特F150、广汽传祺汽车和沃克斯豪尔汽车；斯洛文尼亚的Elaphe公司成立于1988年，致力于轮毂电机、逆变器、电池包的开发，开发的轮毂电机系统曾在Smart Fortwo ED上试装；另外斯洛文尼亚电机公司Enstroj，其生产的汽车直驱电机比功率达到世界领先水平，达到4.3 kW/kg。（a）Michelin主动轮（b）Protean轮毂电机（c）Elaphe轮毂电机（d）Enstroj直驱电机图 1.3 部分零部件厂开发的分布式电驱动系统电机1.1.3 分布式驱动微型平台车项目清华大学PCG课题组（Powertrain Control Group）此前已经在分布式驱动电动汽车的控制方面做了很多探索，主导开发了四轮分布式驱动微型电动汽车哈利，并且在永磁同步轮毂电机控制、电动汽车制动能量回馈、分布式驱动转矩分配等方面进行了研究。目前计划搭建新一代分布式驱动电动汽车实验平台，用于开展四轮驱动、电动空调能量管理、太阳能电池等研究。新一代实验平台车将在已经产品化的微型电动汽车的基础上进行改装，一方面降低工程量，缩短开发周期，另一方面可靠性也能得到相应的保证。微型车的车身数模如图 1.4所示。另外，新平台车的整车控制器将采用PCG课题组和科易动力有限公司共同开发的KPV13快速原型控制器，该控制器支持Matlab全自动代码生成，用于实验平台车上将显著提高算法开发效率。图 1.4 微型电动车数模图1.1.4 选题及意义本课题的主要研究内容是为分布式电驱动微型平台车开发切实可用的转矩控制算法，并在前人研究基础上寻求控制方法的拓展和创新，实现整车能效及平顺性的优化。分布式电驱动系统的优势是能够独立控制各个驱动轮的输出转矩，可控自由度相比集中式驱动更高，但同时也带来了一个问题：各个驱动轮之间的转矩究竟该如何分配才能使汽车行驶的能耗、动力性等各方面性能得到优化？另外，分布式电驱动系统，尤其是轮毂电机驱动系统，与传统汽车相比动力系统的响应特性差异很大。一方面，电机的转矩响应速度要比发动机快很多，另一方面，传统汽车的动力系统包括了发动机、飞轮、离合器、变速箱、传动轴、主减速器、半轴等，其特点是传动链长，系统刚度小，转动惯量和阻尼大，对发动机的输出转矩具有比较强的滤波能力。而分布式电驱动系统，尤其是轮毂电机驱动系统，传动链短，系统刚度很大，而且转动惯量小，阻尼几乎为零。以上两方面原因决定分布式电驱动系统的动态响应是有别于传统汽车的。所以本课题分布式驱动电动汽车转矩控制可以划分为两个子问题：（1）分布式驱动电动汽车各个驱动轮之间的转矩分配问题；（2）单独每个驱动轮的转矩动态响应控制问题。这是两个层面上的问题，但是同时又是相关性很大的两个问题，都是对驱动轮的转矩进行控制，主要控制逻辑都在整车控制器中实现。具体的控制系统框架如图 1.5所示：图 1.5 分布式驱动转矩控制问题分层其中，和分别表示总转矩命令，稳态下分配给各个车轮的转矩和动态下需要各个车轮实际输出的转矩，其中，分别表示左前轮、右前轮、左后轮和右后轮。根据加速踏板信号解析得到驾驶员的总转矩命令值，该转矩值首先按照一定的策略分配给各个驱动轮，此时综合考虑不同分配方式对汽车行驶动力性、能耗、安全性等的影响。然后对每个车轮进行单独的动态响应控制，此时主要是考虑到驾驶员操作和路面/轮胎附着力对动力系统的激励，需要通过实时调节电机输出转矩从而避免动力系统发生过于剧烈的抖动。根据以上分析，转矩分配问题和动态响应问题可以分开来单独研究。所以本课题的研究内容主要围绕这两个问题展开，分别设计转矩分配策略和动态控制策略，最后将两者整合到同一个控制算法中，最终希望应用在分布式驱动电动汽车上，使其在总的能耗和动力系统的动态响应方面得到综合优化。1.2 相关领域的研究现状综述根据1.1.4论述，分布式驱动电动汽车的转矩控制问题可以分为两类：转矩分配问题和转矩动态响应控制问题。以下将分别综述这两个问题目前国内外的研究现状。1.2.1 分布式驱动电动汽车转矩分配研究现有的研究中，电动汽车的转矩分配策略根据控制目标的不同可以分成两大类：（1）面向操纵稳定性的转矩分配策略；（2）面向能耗优化的转矩分配策略。1.2.1.1 面向操纵稳定性的转矩分配策略研究汽车在路面上行驶主要有三个运动自由度：沿车辆行驶方向的纵向运动、垂直车辆行驶方向的侧向运动和绕车辆质心的横摆运动，其中与车辆操纵稳定性相关的是侧向运动自由度和横摆运动自由度。面向操纵稳定性的转矩分配策略主要考虑车身横摆力矩的控制。这种控制策略不只适用于分布式驱动的电动汽车，在内燃机驱动的传统汽车上也一样适用。传统汽车横摆力矩控制的研究已经比较成熟，而且已经得到了广泛的产业化应用，代表比如博世的车身电子稳定系统（Electronic Stability Program，ESP），这类系统主要根据方向盘转角、加速踏板开度、制动踏板位置等信号，推导出驾驶员目标的车身质心侧偏角，并根据横摆角速度和侧向加速度等信号推导出实际的质心侧偏角，从而得到实际值和目标值之间的误差。系统通过干预发动机的转矩输出以及各个制动器的制动力矩，额外附加横摆力矩，从而能够在很大程度上消除这个误差，使车身保持目标的行驶姿态26-29。除了博世的ESP，类似的系统还有很多，如日产的车辆动态控制系统（Vehicle Dynamic Control，VDC），丰田的车辆稳定控制系统（Vehicle Stability Control，VSC），本田的车辆稳定辅助控制系统（Vehicle Stability Assist Control，VSA），宝马的动态稳定控制系统（Dynamic Stability Control，DSC），这些控制系统功能类似。ESP系统主要干预车轮的输出转矩，通过改变车轮路面之间的纵向力来控制横摆力矩。除此之外，也有研究通过控制主动转向系统改变轮胎侧向力从而附加额外的横摆力矩30-32，但是由于主动转向系统不在本课题转矩分配的研究范围之内，在此不再赘述。分布式驱动电动汽车的横摆力矩控制在原理上和传统汽车并无区别，主要不同在于，传统汽车各个车轮输出转矩差只能通过控制制动器产生不同的制动力实现，而分布式驱动电动汽车由于可以独立、精确地控制各个驱动轮的输出转矩，而且电机的转矩响应速度要远高于液压制动机构的响应速度，所以相比之下分布式驱动电动汽车的横摆力矩控制要容易得多。电动汽车横摆力矩控制的关键问题在于如何实时获取准确的车身侧偏角。有些传感器可以直接测量得到车身侧偏角，如OxTS公司的GPS/INS联合传感器，但是这类传感器价格较高，直接用于工业生产无法满足成本要求。日本东京大学的Yoichi Hori教授团队设计了基于模糊规则的车身侧偏角观测器，根据测量得到的侧向加速度和横摆角速度估算车身侧偏角，并且在四轮轮毂电机驱动电动汽车UOT Electric March 2进行了验证；另外，该研究团队还利用轮胎侧向力传感器结合扩展卡尔曼滤波算法估算车身侧偏角33；日本长冈大学的Hiroshi Fujimoto等人在基于观测器的横摆力矩控制的基础上，增加基于扰动观测器的防滑控制，提高了汽车在湿滑路面上的稳定性34；北京理工大学的Cheng Lin等人设计的控制算法上层采用滑模控制器控制横摆力矩，下层算法控制轮胎滑移率在边界条件之内35。1.2.1.2 面向能效优化的转矩分配策略研究面向能效优化的转矩分配策略，主要针对四轮分布式驱动电动汽车，考虑电机在不同工况下效率的差异。现有的部分研究认为四轮转矩平均分配模式下能效最优，另一部分研究认为在总转矩需求较低的情况下，采用两轮驱动的模式下能效最优。Yuan等人基于电机损耗模型进行推导，理论上认为四轮转矩平均分配策略能效最优，并进行了台架试验验证36；谷靖等人10与卢东斌等人37经过实车道路试验，得出结论同样是四轮转矩平均分配是最优的；而余卓平等人38认为在转矩需求较低的时候，两轮模式具有更高的效率；Chen等人39,40基于电机效率特性图，同样认为最优的转矩分配策略应该在四轮平均分配模式和两轮模式之间进行切换：当总转矩需求较低的时候，两前轮或者两后轮输出转矩，另外两个电机不工作；当总转矩需求较高的时候，四轮转矩平均分配。以上研究都是基于电机数学模型或者电机效率特性图已知的前提，并且以上控制策略都只适用于前后轴采用相同的电机的构型，而对于前后轴电机不一致的构型则不适用。但是从面向能效最优的纯电驱动系统构型优化角度考虑，前后轴电机不一致的构型具有很大发展潜力：高速电机和低速电机或者高效率电机和高性能电机的组合可以在保证驱动能力的同时拓宽电机驱动的综合高效区；从空间布置的角度考虑，由于转向系的存在，现有的汽车前轴空间一般比后轴空间更加紧凑，因此前轴适合布置小电机，后轴适合布置大电机。Hiroshi Fujimoto等人41,42针对前轮主动转向，后轮分布式驱动的电动汽车，通过理论推导估算横摆力矩对汽车质心侧偏角的影响，在汽车过弯的时候，通过分配两个后驱动轮之间的转矩，对汽车附加横摆力矩，在保持汽车行驶轨迹不变的前提下可以减小前轮转向角，从而减小行驶阻力。此部分研究同样涉及到主动转向系统，不在本课题的研究范围之内，而且优化能力有限，所以不再赘述。另外该团队43,44还针对前后轴驱动的电动汽车，利用电机驱动效率的“凸”特性，采用黄金比例搜索算法，通过搜索调整前后驱动轴之间的转矩分配，从而实现效率最优。与前面基于模型的转矩分配策略不同，基于搜索算法的转矩分配策略不需要控制对象的模型或任何参数，不仅适用于前后轴采用相同电机的车型，同样适用于前后轴采用不同电机的车型。但只是针对匀速行驶的稳态工况进行了研究，假如要应用到实际汽车行驶的动态工况中，需要实时进行搜索，这会引起悬架甚至整车的抖动。另外，不管是前面基于理论的转矩分配，还是后面基于搜索算法的转矩分配，都只考虑汽车直线行驶的情况，左右两侧车轮的转矩是平均分配的。当汽车转向的过程中，4个车轮的转速会出现差异，此时转矩如何分配效率最优以及优化的空间有多大，有必要进一步分析。1.2.1.3 电子差速问题研究电子差速问题是分布式驱动电动汽车控制的一个比较经典的问题。汽车在转弯的时候，由于外侧车轮的滚动距离要比内侧车轮大，这导致外侧车轮转速高于内侧车轮。如果内外侧车轮采用同一根轴刚性连接就会发生一侧或者两侧车轮的打滑，严重影响行驶效率和轮胎的使用寿命。传统集中式驱动的汽车采用机械式差速器来解决这个问题。分布式驱动电动汽车同样面临这个问题。最初部分研究者考虑根据汽车转向Ackerman模型的几何关系闭环控制各个驱动轮的转速，从而实现电子差速。JS Lee等人45提出一种基于神经网络模型的电子差速系统，具有自学习功能，通过试验车辆能为控制器获得更加合理的内外驱动轮目标转速；A Haddoun等人46提出了基于滑模控制算法的电子差速算法，本质上也是基于转速闭环的控制；同济大学新能源汽车中心的四轮差速转向专利47，以左前轮转速作为标定车速，调节其它三个车轮的转速，实现四个车轮绕转向中心同角速度旋转。基于转速闭环的电子差速控制有其固有的缺陷。由于车辆行驶过程中存在轮胎跳动、滑移，而且因为悬架、轮胎等结构的非线性特性，各个驱动轮的目标转速估计必然存在着误差，所以进行转速闭环控制容易引起轮胎滑磨。另一种控制策略是转矩控制，根据驾驶员命令和相关算法控制电机输出转矩，转速随动，从而自动实现差速控制。相比转速控制，转矩控制的精确性能够得到保证。从这个角度，“电子差速”问题其实并不存在。因为在转矩控制模式下，只要轮胎/路面作用力没有达到附着力极限，轮胎就不会发生打滑。1.2.2 电动汽车动力系统转矩动态响应控制研究传统汽车和混合动力汽车的动力系统动态响应控制已经有很多现成的研究成果48-54，但是关于电动汽车，尤其是轮毂电机驱动电动汽车的动态响应控制研究还较少。日产公司的Notker Amann等人针对集中式驱动的电动汽车，认为弹性和齿隙效应会引起动力系统的扭振，设计了转矩观测器用于估算齿轮转矩，进而对驾驶员目标转矩进行补偿，从而降低了动力系统的扭振，如图 1.6所示55。在此研究的基础上，该公司的Hiromichi Kawamura等人进一步研究了电动汽车加速过程中的响应速度问题，对电机的目标转矩进行前馈滤波，对模型误差、外界激励等引起的干扰进行反馈补偿，从而在发挥电驱动系统动力加速响应快的优势的同时兼顾了舒适性，并在Leaf纯电动轿车上进行了应用56,57。图 1.6 日产动力系统扭振控制框架Jose Manuel Rodriguez等人针对轮边驱动构型的电动汽车的动力系统扭振和轮胎/路面附着问题，对扭振问题采用反馈进行控制，对轮胎/路面附着问题，采用扰动观测器进行检测并控制，同时实现了两种控制功能58。图 1.7 轮边电机车型宋子由等人针对轮毂电机系统的电机/轮胎耦合机构动态特性进行了建模分析，通过仿真研究了轮胎载荷、刚度、阻尼等参数对滑移率估计误差、动力系统扭振及车辆纵向抖动的影响59。上汽集团的张鹏君等人提出了一种用于控制混合动力车辆的转矩输出的方法，该方法本质上是在驾驶员需求转矩突然增加或突然间小时能通过指数函数滤波的方式控制实际输出转矩的上升或下降速率，从而保证车辆动力系统的转矩响应特性和驾驶舒适性60。该方法在纯电动汽车辆上同样适用。图 1.8 混合动力车辆的转矩输出方法从上述文献调研的结果可以看出，已有的研究成果其控制对象的机械特性和轮毂电机驱动系统有明显区别，目前还没有针对轮毂电机驱动系统动态特性的控制研究。1.3 课题的主要研究内容和方法本课题的主要研究内容包括：（1） 分布式驱动电动汽车转矩分配算法优化续驶里程短一直是制约电动汽车发展的关键问题，所以本课题研究转矩分配主要从减小能耗，延长续驶里程的角度出发，提出一种可以满足差异电机分布式驱动的转矩分配方法。首先实现基于黄金比例搜索算法的前后轴转矩分配，在动态工况中采用周期性搜索的方法；其次，为了解决搜索过程中转矩波动的问题，在搜索算法的基础上进一步引入自学习的功能；另外，针对汽车转弯时左右两侧驱动轮之间的转矩分配问题也进行研究，基于模型推导转弯工况下最优的四轮转矩分配策略。（2） 轮毂电机驱动系统动态响应控制优化主要针对轮毂电机驱动系统对外界激励过于敏感的特性，通过附加“电子转动惯量”的方法，优化车辆在起伏路面、湿滑路面等非理想路面行驶时的性能。在研究方法上，本课题主要采用数学推导、软件仿真以及硬件在环仿真等方法。具体包括以下几个方面：1）通过数学推导分析低速下车辆转向时效率最优的四轮转矩分配策略；2）搭建Matlab/Simulink与Carsim联合仿真平台，建立电机转矩输出特性曲线和电机效率模型，在此基础上分析验证转矩分配算法及转矩动态响应控制算法的效果；3）应用自动代码生成技术将控制算法移植到KPV13控制器中，搭建xPC硬件在环仿真系统，验证控制算法可以在实际控制器中得到应用。1.4 本文结构本论文共分为6章，分别为：第1章引言第2章分布式驱动电动汽车联合仿真建模方法研究第3章分布式电驱动系统转矩分配算法优化第4章轮毂电机驱动系统动态响应控制优化第5章整车分布式控制算法的硬件在环仿真第6章总结和展望其中第1章主要介绍本课题的研究背景和选题意义，以及目前相关领域的研究现状；第2章主要介绍仿真平台的搭建，以及相关模型的建立；第3章和第4章是本课题的主要工作，也是本文的重点，是关于转矩分配算法和转矩动态响应控制算法的研究；第5章硬件在环仿真的目的是确保前面设计的控制算法能够应用到实车控制系统中，确保平台车改装完成以后算法马上能用；第6章对本课题进行总结，并展望后续研究工作。87第2章 分布式驱动电动汽车联合仿真建模方法研究第2章 分布式驱动电动汽车联合仿真建模方法研究2.1 本章引言根据第1章的综述及讨论，分布式驱动电动汽车的转矩控制主要问题分为转矩分配优化和转矩动态响应控制两个方面。课题研究过程中涉及到的车辆动态过程包括：车身各个自由度的平动和转动，悬架的振动，动力系统的轴向振动，轮胎的纵向滑移和迟滞，以及轮胎沿垂直地面方向的变形等。如果采用Simulink搭建多自由度整车动力学模型，除了模型精度问题外，工作量会比较大，而且涉及到轮胎和起伏路面的相互作用时处理起来相对复杂，所以本课题研究中采用商用软件Carsim中的车辆模型。基于Carsim中的传统内燃机动力系统模型，搭建分布式驱动电动汽车的动力系统模型，并与Carsim中的车辆模型进行集成。本章首先对Matlab/Simulink与Carsim联合仿真进行了简要介绍，然后对Carsim车辆模型中与本课题研究相关的参数进行配置，选取软件中的传统动力系统模型作为对标模型并对其转动惯量进行分析计算，在Simulink中建立了永磁同步轮毂电机转矩输出特性曲线和效率模型。2.2 Matlab/Simulink与Carsim联合仿真平台Carsim是美国MSC公司（Mechanical Simulation Corporation）的一款专门针对车辆动力学的商用仿真软件，主要用来仿真和预测汽车的动力性、经济性、平顺性、操纵稳定性等，目前被国际上众多的汽车制造商采用，广泛地应用于汽车的控制系统开发。软件自带的数据库里提供了从A级车到F级车各个车型的典型模型，使用者可以通过图形化的操作界面非常直观方便地对模型的各个参数进行修改。另外软件还可以灵活地设置车辆仿真的工况，包括：驾驶员加速、制动、转向等操作，以及道路附着、坡度、起伏等变化。Carsim软件还提供了和Matlab/Simulink的接口，通过定义输入输出端口，两者之间可以互相调用。典型的应用就是在Carsim软件中建立车辆模型和仿真工况，在Simulink中搭建控制算法，进行算法的仿真验证。Carsim和Simulink联合仿真过程中Carsim软件的主界面如图 2.1所示。图中区域1为车辆模型和仿真工况设置区域；区域2是和Simulink软件的接口定义区；区域3是仿真结果查看区，仿真结果可以以曲线的形式查看或者以动画的形式查看，另外也可以将曲线的数据以txt格式导出，用于进一步分析。321图 2.1