張多 劉國海 趙文祥 繆鵬虎 葉浩

（江蘇大學(xué)）

電動(dòng)汽車多電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究綜述＊

張多 劉國海 趙文祥 繆鵬虎 葉浩

（江蘇大學(xué)）

多電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車是電動(dòng)汽車發(fā)展中的重要方向之一，其多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制及可靠性問題是亟待解決的首要問題。針對(duì)由多臺(tái)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)及線控技術(shù)為特征的分布式四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)（4WID）電動(dòng)汽車，介紹了其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電子差速、主動(dòng)安全控制、多電機(jī)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)、容錯(cuò)控制等方面的研究現(xiàn)狀，指出了多電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車研究尚存的問題，并探索了該領(lǐng)域今后的研究方向與趨勢(shì)。

1 前言

面對(duì)能源和環(huán)境的雙重壓力和重大需求，電動(dòng)汽車已無可爭(zhēng)議地成為21世紀(jì)汽車工業(yè)發(fā)展的主流方向，而以多臺(tái)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)和線控技術(shù)為特征的分布式四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)（4WID）電動(dòng)汽車也成為電動(dòng)汽車發(fā)展中的主要方向之一。4WID電動(dòng)汽車的4臺(tái)輪轂電機(jī)分別置于各輪轂之內(nèi)，分別驅(qū)動(dòng)汽車的4個(gè)車輪，車輪之間沒有機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)。由于各輪的驅(qū)動(dòng)力/制動(dòng)力均獨(dú)立可控，從而為改善電動(dòng)汽車的動(dòng)力性、穩(wěn)定性及安全性提供了更大的技術(shù)支持。

2 4WID電動(dòng)汽車研究現(xiàn)狀

電動(dòng)汽車多電機(jī)分布式獨(dú)立驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

與單電機(jī)中央驅(qū)動(dòng)型的電動(dòng)汽車相比，分布式4WID電動(dòng)汽車在底盤結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)效率和控制性能等方面更具優(yōu)勢(shì)與潛力，體現(xiàn)在以下幾方面。

a.輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，省去離合器、變速器、傳動(dòng)軸等機(jī)械環(huán)節(jié)，減輕了整車質(zhì)量，提高了傳動(dòng)效率及能源利用率。

b.利用各驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速、精確可控的特點(diǎn)，對(duì)車輛的狀態(tài)量如質(zhì)心側(cè)偏角、路面附著系數(shù)、輪胎力等較容易實(shí)施觀測(cè)與辨識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)高性能的主動(dòng)安全控制目的，如牽引力控制系統(tǒng)（TCS）、防抱死系統(tǒng)（ABS）、直接橫擺力矩控制（DYC）等。

c.各驅(qū)動(dòng)輪均可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收，與單電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車相比能量回收效率更高。同時(shí)，整車控制器可根據(jù)當(dāng)前車輛行駛狀態(tài)協(xié)調(diào)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出，實(shí)現(xiàn)車載能源的最優(yōu)分配，顯著提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程。

d.分布式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)不僅降低了對(duì)車輛機(jī)械傳動(dòng)零部件的要求，也降低了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的母線電壓，從而提高了整車的電氣安全性。此外，電機(jī)分布式布置使得車輛底盤空間布置更靈活，利于提高車輛的被動(dòng)安全性。

e.分布式4WID電動(dòng)汽車的控制分配方式靈活，根據(jù)汽車行駛狀態(tài)可實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)各輪的驅(qū)動(dòng)力，更易實(shí)現(xiàn)汽車的“電子主動(dòng)底盤”[1]。

多電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車已成為各國汽車廠商及科研機(jī)構(gòu)關(guān)注的研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外研究所取得的成果也證明了4WID電動(dòng)汽車的優(yōu)越性[2]。但迄今為止，4WID電動(dòng)汽車尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，除受其生產(chǎn)成本偏高、可靠性需求高、電池技術(shù)水平問題等因素外，更重要的原因是多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化及協(xié)調(diào)控制等方面的研究還未成熟，所采用的理論及方法在經(jīng)濟(jì)性、可靠性、實(shí)用性等方面存在不足。

由于多電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的特殊性和復(fù)雜性，成為限制4WID電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸之一。若多電機(jī)協(xié)調(diào)控制不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)輪間相互拖拽的現(xiàn)象，不僅增加功率損耗，而且嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞電動(dòng)汽車的穩(wěn)定性，導(dǎo)致車禍的發(fā)生。因此，多電機(jī)協(xié)調(diào)控制的優(yōu)劣直接影響車輛的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性和舒適性[1]。目前，多電機(jī)協(xié)調(diào)控制的研究主要分為兩類，一是實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)輪在轉(zhuǎn)向行駛時(shí)內(nèi)外輪差速行駛的電子差速[3]研究；二是以車輛行駛穩(wěn)定性和操控性為目標(biāo)的電動(dòng)汽車主動(dòng)安全控制技術(shù)研究。

3 電子差速研究

傳統(tǒng)汽車依靠行星輪的自轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)左、右車輪轉(zhuǎn)向時(shí)的差速行駛，而多電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車則必須采用電子差速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各輪的轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)，以保證轉(zhuǎn)向時(shí)各車輪不發(fā)生拖動(dòng)或滑移，實(shí)現(xiàn)差速行駛，保證電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)被控變量的不同，多電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的電子差速系統(tǒng)分為以下2類。

一類是以車輪轉(zhuǎn)速為控制變量的轉(zhuǎn)速型電子差速系統(tǒng)，是在Ackerman穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向模型（圖2）基礎(chǔ)上推導(dǎo)出各驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速。

圖2中，Vfin、Vfout、Vrin、Vrout分別為各輪轉(zhuǎn)速；δfin、δfout為左、右前輪轉(zhuǎn)向角，且在轉(zhuǎn)向角較小時(shí)，δfin=δfout=δ；Rf、Rr為前、后軸中心處的轉(zhuǎn)向半徑；Rfin、Rfout、Rrin、Rrout分別為前、后、左、右各輪的轉(zhuǎn)向半徑。如文獻(xiàn)[4]中根據(jù)該模型推導(dǎo)計(jì)算獲得了各驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速并對(duì)其實(shí)施控制，實(shí)現(xiàn)了車輛轉(zhuǎn)向時(shí)各輪速度的協(xié)調(diào)。

Perez-Pinal F J等人[5]采用主從式多電機(jī)結(jié)構(gòu)建立虛擬主電機(jī)，將兩驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)作為從電機(jī)，跟據(jù)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向模型計(jì)算各輪轉(zhuǎn)速并進(jìn)行閉環(huán)控制（圖3），在車輛受到外部擾動(dòng)或驅(qū)動(dòng)輪負(fù)載變化時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行預(yù)判和調(diào)整，提高了電子差速系統(tǒng)的響應(yīng)速度和魯棒性。

針對(duì)Ackerman穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向模型中各輪轉(zhuǎn)速的非線性，也有學(xué)者利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合獲取當(dāng)前工況下的各車輪轉(zhuǎn)速[6]，以提高電動(dòng)車中低速行駛時(shí)的平穩(wěn)性，但其工況適應(yīng)性較差，通用性不強(qiáng)。

文獻(xiàn)[7]依據(jù)車輛橫擺速率及縱向速度與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，分別對(duì)前兩輪驅(qū)動(dòng)、后兩輪驅(qū)動(dòng)及四輪驅(qū)動(dòng)的電子差速進(jìn)行了比較研究，表明在低速情況下，無論采取哪種差速系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪的差速行駛，且性能無明顯差異；而車輛在附著極限工況下行駛時(shí)，此類以車輪轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)的電子差速系統(tǒng)很難滿足整車對(duì)差速及穩(wěn)定性的要求。

另一類電子差速系統(tǒng)是以控制各驅(qū)動(dòng)輪的附著力或滑移率相等為目標(biāo)的轉(zhuǎn)矩型電子差速。文獻(xiàn)[8]根據(jù)車輛垂直載荷的變化動(dòng)態(tài)分配各驅(qū)動(dòng)輪的輸出力矩，控制電動(dòng)汽車兩側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪的滑移率相等，從而起到電子差速的作用，以提高電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性。存在的問題是：小滑移率的實(shí)時(shí)檢測(cè)和復(fù)雜行駛工況下最優(yōu)滑移率的識(shí)別均較難實(shí)現(xiàn)。另外，這類電子差速系統(tǒng)的研究與驅(qū)動(dòng)防滑的研究緊密結(jié)合，隨著研究的深入，此類研究將逐漸融入車輛主動(dòng)安全控制技術(shù)的研究中。

4 主動(dòng)安全控制技術(shù)研究

直接橫擺力矩控制（DYC）系統(tǒng)是目前主要的一類汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。DYC利用輪胎縱向力的線性范圍大于側(cè)向力線性范圍的特性，調(diào)整車輛左、右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的縱向力來產(chǎn)生橫擺力矩，直接控制車輛的橫擺運(yùn)動(dòng)，以提高車輛的操縱穩(wěn)定性。因多電機(jī)分布式4WID電動(dòng)汽車具有各輪驅(qū)動(dòng)力/制動(dòng)力均獨(dú)立可控的特點(diǎn)，使得DYC在4WID電動(dòng)汽車主動(dòng)安全控制領(lǐng)域內(nèi)的潛力得到了充分發(fā)揮[1]。當(dāng)前，以DYC為代表的主動(dòng)安全控制系統(tǒng)一般采用分層控制結(jié)構(gòu)，由整車控制、控制分配及底層控制層組成，如圖4所示。

4.1 DYC的理論與方法

為提高電動(dòng)車輛安全性及操控穩(wěn)定性性，最優(yōu)控制、模糊控制、滑模變結(jié)構(gòu)等各種控制方法應(yīng)用于車輛DYC系統(tǒng)中。

文獻(xiàn)[9]采用二自由度控制結(jié)構(gòu)，將前饋—反饋相結(jié)合，前饋補(bǔ)償器將車輛的質(zhì)心側(cè)偏角控制在一個(gè)比較小的范圍內(nèi)，采用線性二次最優(yōu)獲得反饋系數(shù)，消除受控變量的穩(wěn)態(tài)誤差。從本質(zhì)上講，線性二次最優(yōu)法屬于線性控制范疇，對(duì)于車輛這種具有很強(qiáng)非線性特征且存在參數(shù)不確定的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)來說，魯棒性不能得到保證。

滑模變結(jié)構(gòu)控制目前廣泛應(yīng)用于車輛穩(wěn)定性控制中，它根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)偏離滑模面的程度來變更控制器結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)按滑移面運(yùn)行，對(duì)模型不確定性、未知干擾等不確定因素具有較強(qiáng)的魯棒性。日本學(xué)者Abe和Mokhiamar等人[10]以質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度為控制變量，設(shè)計(jì)了滑模變結(jié)構(gòu)的DYC系統(tǒng)，并通過實(shí)車驗(yàn)證了其動(dòng)態(tài)品質(zhì)的優(yōu)良。該方法無需在線辨識(shí)且具有很好的魯棒性，改善了控制性能，但是滑模變結(jié)構(gòu)控制中的高頻切換使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩及受控車輛的橫擺角速度出現(xiàn)“振顫”現(xiàn)象。文獻(xiàn)[11]在滑移率控制中引入具有開關(guān)切換的二階滑模變結(jié)構(gòu)控制，在提高系統(tǒng)性能的同時(shí)削弱了“振顫”。

針對(duì)車輛非線性特征，模糊理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也被用于多電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車的控制中，以提高電動(dòng)汽車的操控性和魯棒性。文獻(xiàn)[12]對(duì)全輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)了一個(gè)多層動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)，牽引控制層采用模糊推理實(shí)現(xiàn)各電機(jī)目標(biāo)滑移率的調(diào)整。模糊控制雖能一定程度上改善車輛的性能，但模糊規(guī)則的建立主要依賴于經(jīng)驗(yàn)，其應(yīng)用受到車輛復(fù)雜多變的行駛工況的極大限制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于四輪轉(zhuǎn)向車輛控制中，能夠克服車輛非線性帶來的不利影響，提高車輛的穩(wěn)定性[13,14]。文獻(xiàn)[14]針對(duì)后兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的橫向及橫擺運(yùn)動(dòng)的耦合進(jìn)行可逆性分析，在構(gòu)造車輛質(zhì)心側(cè)偏角的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)左逆觀測(cè)器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合逆控制器，實(shí)現(xiàn)橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角解耦的同時(shí)減小電機(jī)輸出，提高了整車效率。其不足之處在于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本的采集與獲取受到限制，導(dǎo)致對(duì)車輛復(fù)雜工況的適應(yīng)性差，且實(shí)時(shí)性略顯不足。

4.2 集成控制研究

車輛行駛狀態(tài)主要取決于輪胎與地面的接觸六分力，輪胎力學(xué)特性的摩擦橢圓規(guī)律導(dǎo)致輪胎側(cè)向力與縱向力相互影響，且輪胎的側(cè)向力和縱向力都與輪胎的垂直載荷緊密關(guān)聯(lián)。顯然，由驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和懸架等子系統(tǒng)組成的汽車底盤在車輛的縱向、側(cè)向和垂向動(dòng)力學(xué)間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，如圖5所示。因此，電動(dòng)汽車已是一個(gè)高度復(fù)雜、強(qiáng)耦合、時(shí)變的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，且其所處環(huán)境多變、工況復(fù)雜。然而，隨著電動(dòng)汽車各類主動(dòng)安全系統(tǒng)的不斷推出，底盤電控結(jié)構(gòu)與功能日趨復(fù)雜，各底盤控制子系統(tǒng)間相互耦合的趨勢(shì)更加明顯，各系統(tǒng)之間不可避免地存在相互影響和功能沖突，導(dǎo)致整車行駛性能反而變差。如何有效管理、協(xié)調(diào)各系統(tǒng)的工作，使其能夠根據(jù)車輛當(dāng)前行駛狀態(tài)與駕駛員操控要求，合理協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)工作時(shí)序和效能，盡量消除子系統(tǒng)之間的沖突，獲得更好的主動(dòng)安全性、操縱穩(wěn)定性和駕駛舒適性，成為當(dāng)前電動(dòng)汽車底盤控制的重要研究?jī)?nèi)容之一[15]。

4WID電動(dòng)汽車的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)亦為底盤集成控制的研究開拓了新的空間。研究表明，在輪胎側(cè)向力進(jìn)入飽和區(qū)域之前，直接對(duì)側(cè)向力控制的主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)依然是提高車輛側(cè)向穩(wěn)定性最直接有效的手段。而在輪胎側(cè)向力進(jìn)入飽和區(qū)后，DYC并沒有直接對(duì)輪胎的側(cè)向力進(jìn)行控制，而是利用輪胎縱向力直接控制車輛的橫擺運(yùn)動(dòng)。因此，如何利用輪胎的側(cè)向力和縱向力彌補(bǔ)主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與DYC的相互不足，并發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)的集成控制成為當(dāng)前主動(dòng)安全控制研究的主要內(nèi)容[16]。Yi Kyongsu[17]對(duì)車輛輪胎的橫向、縱向及聯(lián)合工況輸出力進(jìn)行觀測(cè)，采用統(tǒng)一底盤控制策略協(xié)調(diào)控制各電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出，提高了車輛橫向穩(wěn)定性和操控性；山東大學(xué)李貽斌[18]利用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了AFS+ASR+DYC的模糊控制，提高了車輛的操控性和安全性。

顯然，此類研究對(duì)充分利用多電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高4WID電動(dòng)汽車的安全性和操控性有著特別重要的理論意義與研究?jī)r(jià)值。

4.3 多電機(jī)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制研究

4WID電動(dòng)汽車各輪獨(dú)立可控，雖然增加了控制的自由度，但也對(duì)電機(jī)協(xié)調(diào)控制提出了新的挑戰(zhàn)，多電機(jī)的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制技術(shù)已成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是制約4WID電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制實(shí)際上就是控制分配問題，本質(zhì)上屬于有約束的優(yōu)化問題，最先在飛行控制系統(tǒng)中提出，目前已推廣至許多工程實(shí)際中。其基本思想是將上層控制指令依據(jù)某種優(yōu)化目標(biāo)分配給冗余的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)的約束條件?？刂品峙涞那蠼夥椒ㄖ饕譃閺V義逆方法、鏈?zhǔn)竭f增方法、直接分配方法和數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，包括線性規(guī)劃和二次規(guī)劃，實(shí)際應(yīng)用中主要關(guān)注控制分配中優(yōu)化求解的實(shí)時(shí)性[19]。

控制分配以經(jīng)典數(shù)學(xué)最優(yōu)化算法與現(xiàn)有實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)化分配算法相結(jié)合的方式展開，同時(shí)考慮各種實(shí)際約束條件和二次目標(biāo)，如系統(tǒng)冗余特性、執(zhí)行機(jī)構(gòu)物理約束、輪胎利用率約束、輪胎力最小目標(biāo)等，以實(shí)現(xiàn)總控制目標(biāo)量的最優(yōu)分配。根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的不同，4WID電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)控制領(lǐng)域內(nèi)的控制分配方法主要分為以下兩類。

一類是以安全性為目標(biāo)優(yōu)化指標(biāo)，沿襲傳統(tǒng)車輛穩(wěn)定性控制思路，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，在充分利用輪胎附著力、降低輪胎利用率、提高車輛穩(wěn)定性的同時(shí)，提高驅(qū)動(dòng)效率。如Masao Nagai[16]針對(duì)雙后輪驅(qū)動(dòng)的“Novel”電動(dòng)汽車，通過一側(cè)增加驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)扭矩，另一側(cè)相應(yīng)地減小驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)扭矩來實(shí)現(xiàn)DYC控制。但這種方法沒有考慮車輪當(dāng)前的工作狀況與電機(jī)的輸出約束，導(dǎo)致車輪縱向力出現(xiàn)高頻抖振，對(duì)車輛的穩(wěn)定性和平順性產(chǎn)生不利影響。同濟(jì)大學(xué)余卓平等人[20]采用層次化的控制分配方法，考慮執(zhí)行器的約束條件，以加權(quán)二乘法優(yōu)化驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)的扭矩分配，降低總的輪胎利用率，提高輪胎的安全裕度，從而提高車輛的操縱穩(wěn)定性。清華大學(xué)李克強(qiáng)等人[21]則綜合直接橫擺力矩、地面附著及電機(jī)輸出受限等要求，得出全輪縱向力優(yōu)化分配的約束條件，基于模糊理論設(shè)計(jì)了以車輛質(zhì)心側(cè)偏角為變量的權(quán)重函數(shù)，對(duì)縱向力分配實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，進(jìn)一步提升了車輛的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性。

另一類是從提高整車運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，根據(jù)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)效率的不同，合理分配電機(jī)控制力矩，提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率，從而提高整車驅(qū)動(dòng)效率。研究表明，基于電機(jī)效率模型的控制分配更能準(zhǔn)確地反映能量流動(dòng)情況[22]。因此，眾多學(xué)者從電機(jī)效率MAP圖出發(fā)，研究電動(dòng)汽車運(yùn)行的能量?jī)?yōu)化與控制分配方法，提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率[23,24]。Yan Chen和JunminWang等人[23]考慮電機(jī)的效率特性，根據(jù)車輛不同行駛工況下4個(gè)輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)效率，綜合分配四輪驅(qū)動(dòng)力矩，達(dá)到了整車能量消耗最小的控制目標(biāo)。此外，Yan Chen和Junmin Wang等人[24]也提出了基于卡羅需-庫恩-塔克條件（KKT）的過執(zhí)行系統(tǒng)的能量最小消耗全局優(yōu)化控制分配算法，提高了4WID電動(dòng)汽車整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率。此類研究均假設(shè)車輛處于穩(wěn)定狀態(tài)，由于欠缺對(duì)車輛安全約束的考慮，實(shí)際運(yùn)行時(shí)有可能造成車輪打滑或抱死，從而影響整車行駛的穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[25]則根據(jù)當(dāng)前車輛的運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)了一種經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)，其綜合考慮安全性及經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，當(dāng)車輛處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)采用經(jīng)濟(jì)性驅(qū)動(dòng)力分配方式，而當(dāng)車輛處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)則采用基于安全性的目標(biāo)函數(shù)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力的優(yōu)化分配，增強(qiáng)了車輛的側(cè)向穩(wěn)定性。

5 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容錯(cuò)控制研究

4WID電動(dòng)汽車復(fù)雜的行駛工況及大量采用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)線控技術(shù)，致使電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障率較高，安全隱患增加。4WID電動(dòng)汽車一旦出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)不能輸出期望轉(zhuǎn)矩或無轉(zhuǎn)矩輸出，將導(dǎo)致整車出現(xiàn)非期望的橫擺角速度，致使車輛出現(xiàn)“跑偏”現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致車輛事故的發(fā)生。當(dāng)前，針對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)失效的容錯(cuò)控制研究尚處于起步階段。4WID電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本質(zhì)上屬于冗余過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具備一定的帶故障運(yùn)行能力。如，文獻(xiàn)[26]采用了冗余結(jié)構(gòu)的前/后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在電機(jī)出現(xiàn)故障后，將故障電機(jī)所在前輪/后輪均變?yōu)樽杂奢?，僅由正常的后輪/前輪驅(qū)動(dòng)整車運(yùn)行，但并沒有充分利用4WID電動(dòng)汽車四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)。

已有學(xué)者開始嘗試將容錯(cuò)控制理論運(yùn)用于車輛主動(dòng)安全控制，如文獻(xiàn)[27]在驅(qū)動(dòng)力分配層中設(shè)計(jì)了失效控制策略，設(shè)置失效因子來處理故障電機(jī)，通過簡(jiǎn)單協(xié)調(diào)控制規(guī)則實(shí)現(xiàn)控制的再分配，可實(shí)現(xiàn)車輛的帶故障運(yùn)行?？紤]到4WID電動(dòng)汽車中電機(jī)故障、輸入受限、外部擾動(dòng)等情況，文獻(xiàn)[28]設(shè)計(jì)了Lypunov自適應(yīng)容錯(cuò)控制律，文獻(xiàn)[29]基于Lypunov函數(shù)結(jié)合線性二次最優(yōu)方法設(shè)計(jì)了最優(yōu)容錯(cuò)控制律，均可保證車輛在驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障下的路徑跟蹤能力。此類研究基本屬于被動(dòng)容錯(cuò)控制范疇，無需故障診斷就能夠保證車輛在驅(qū)動(dòng)電機(jī)失效時(shí)的安全性。美國Junmin Wang[30]的課題組研究較深入，不僅針對(duì)4WID電動(dòng)汽車被動(dòng)容錯(cuò)控制器進(jìn)行了研究，而且開展了基于電機(jī)故障診斷的主動(dòng)容錯(cuò)控制技術(shù)研究[31,32]，取得了較好的控制效果。

總體而言，4WID電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容錯(cuò)控制研究尚未將其它領(lǐng)域內(nèi)相對(duì)成熟的容錯(cuò)控制理論應(yīng)用于車輛主動(dòng)安全控制領(lǐng)域，其故障診斷與控制算法的實(shí)時(shí)性依然是主要難題。

6 結(jié)論及展望

對(duì)電動(dòng)汽車多輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行研究，不僅能提高電動(dòng)汽車的安全性、操控性、穩(wěn)定性，而且能進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性和舒適性。雖然目前這方面應(yīng)用及理論研究取得了一定的成果，但總體來說仍處于起步階段和探索階段，遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)際運(yùn)用的要求，以下幾方面是今后電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及車輛動(dòng)力學(xué)控制領(lǐng)域研究和實(shí)踐的重點(diǎn)。

a.電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性研究。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有小型輕量化、高效率、高功率密度等特點(diǎn)，且電機(jī)工況復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣，對(duì)電機(jī)的可靠性要求極高。作為電動(dòng)汽車核心技術(shù)之一的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)廣域的高可靠性、高效率、高功率密度，且具有低成本、低噪聲、較好的能量回饋等特點(diǎn)依然是研究重點(diǎn)之一。

b.電動(dòng)汽車的非線性動(dòng)力學(xué)分析與控制。由于車輛本身動(dòng)力學(xué)的非線性、不確定性，控制變量的多樣化，控制的魯棒性、實(shí)時(shí)性、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性的要求等，使整車動(dòng)力學(xué)控制實(shí)施極其困難。先進(jìn)的控制策略及控制方法是電動(dòng)車輛能否具有良好的操縱穩(wěn)定性及安全性的關(guān)鍵因素。因此，采用先進(jìn)的控制理論和方法設(shè)計(jì)出性能優(yōu)越、魯棒性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的控制算法是電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)控制研究的重要方向之一[32]。需要指出的是，多電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪均可驅(qū)動(dòng)或回饋制動(dòng)運(yùn)行，因此如何在穩(wěn)定性控制的同時(shí)兼顧運(yùn)行效率，實(shí)施系統(tǒng)能量管理，提高整車效率，從系統(tǒng)控制科學(xué)的角度看，亦是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性而又具有深遠(yuǎn)意義的研究領(lǐng)域。

c.智能底盤主動(dòng)安全控制研究。目前，針對(duì)4WID電動(dòng)汽車的主動(dòng)安全控制研究雖取得了一定進(jìn)展，但是仍未能從整體性、相關(guān)性方面對(duì)底盤各控制子系統(tǒng)之間的相互制約和相互影響的機(jī)理進(jìn)行深入分析，4WID電動(dòng)汽車在底盤控制方面的潛力和優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)未發(fā)揮，已成為制約4WID電動(dòng)汽車開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的瓶頸之一。多電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)比一般電動(dòng)汽車復(fù)雜，故障率相對(duì)較高，一定程度上降低了電動(dòng)汽車的可靠性。此外，4WID電動(dòng)汽車多采用線控方式，線控系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)沒有任何預(yù)警信息，給車輛的行車安全又帶來了一定的安全隱患。因此，研究線控系統(tǒng)的故障檢測(cè)，并利用多電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行器冗余的特點(diǎn)，協(xié)調(diào)故障電機(jī)與正常電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配，實(shí)現(xiàn)整車的高可靠性主動(dòng)安全控制，成為未來智能底盤控制技術(shù)重要的研究方向之一。

d.未來環(huán)保、智能電動(dòng)汽車的研究。隨著信息技術(shù)以及控制科學(xué)的發(fā)展，研究新一代智能化汽車成為現(xiàn)代汽車研究的主要趨勢(shì)之一。未來智能電動(dòng)汽車不僅要實(shí)現(xiàn)安全、舒適、節(jié)能與環(huán)保等四大功能，更應(yīng)是集清潔能源動(dòng)力、電控化底盤與智能信息交互三大系統(tǒng)為特征的一體化的智能交通系統(tǒng)[33]。材料科學(xué)、信息科學(xué)等多學(xué)科的理論研究以及集成制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)汽車底盤控制技術(shù)向電動(dòng)化、模塊化、智能化和集成化方向發(fā)展。

1 余卓平,馮源,熊璐.分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)控制發(fā)展現(xiàn)狀綜述.機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013,49（8）:105～114.

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（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年2月25日。

Overview of Multi-motor Independent Drive of Electric Vehicles

Zhang Duo,Liu Guohai,Zhao Wenxiang,Miao Penghu,Ye Hao
（Jiangsu University）

The four-wheel-independent-drive(4WID)electric vehicles(EVs)have become one of the most important trends for EVs.However,it suffers from the problems of the multi-motor coordinated control and reliability.In this paper, the research on the electric differential,active safety control,multi-motor coordinated control and fault tolerant control are reviewed.Finally,some problems existing in 4WID electric vehicle are pointed out,and the developing direction and trend of the 4WID technology is investigated.

Electric vehicles,Multi-motor independent drive,Coordinated control,Reliability

電動(dòng)汽車 多電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng) 協(xié)調(diào)控制 可靠性

U469.72

A

1000-3703（2015）10-0001-06

國家自然科學(xué)基金(51077066，61273154)、教育部博士點(diǎn)基金（20123227110012），江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程（蘇政辦發(fā)2011-6）、江蘇大學(xué)研究生創(chuàng)新工程（CX10B_014X）資助。