电动汽车多电机独立驱动技术研究综述＊

张多 刘国海 赵文祥 缪鹏虎 叶浩

（江苏大学）

电动汽车多电机独立驱动技术研究综述＊

张多 刘国海 赵文祥 缪鹏虎 叶浩

（江苏大学）

多电机独立驱动电动汽车是电动汽车发展中的重要方向之一，其多电机驱动系统的协调控制及可靠性问题是亟待解决的首要问题。针对由多台轮毂电机驱动及线控技术为特征的分布式四轮独立驱动（4WID）电动汽车，介绍了其驱动系统在电子差速、主动安全控制、多电机转矩协调、容错控制等方面的研究现状，指出了多电机独立驱动电动汽车研究尚存的问题，并探索了该领域今后的研究方向与趋势。

1 前言

面对能源和环境的双重压力和重大需求，电动汽车已无可争议地成为21世纪汽车工业发展的主流方向，而以多台轮毂电机驱动和线控技术为特征的分布式四轮独立驱动（4WID）电动汽车也成为电动汽车发展中的主要方向之一。4WID电动汽车的4台轮毂电机分别置于各轮毂之内，分别驱动汽车的4个车轮，车轮之间没有机械传动环节。由于各轮的驱动力/制动力均独立可控，从而为改善电动汽车的动力性、稳定性及安全性提供了更大的技术支持。

2 4WID电动汽车研究现状

电动汽车多电机分布式独立驱动结构如图1所示。

与单电机中央驱动型的电动汽车相比，分布式4WID电动汽车在底盘结构、传动效率和控制性能等方面更具优势与潜力，体现在以下几方面。

a.轮毂电机直接驱动车轮，省去离合器、变速器、传动轴等机械环节，减轻了整车质量，提高了传动效率及能源利用率。

b.利用各驱动轮转矩响应快速、精确可控的特点，对车辆的状态量如质心侧偏角、路面附着系数、轮胎力等较容易实施观测与辨识，从而实现高性能的主动安全控制目的，如牵引力控制系统（TCS）、防抱死系统（ABS）、直接横摆力矩控制（DYC）等。

c.各驱动轮均可实现制动能量的回收，与单电动机驱动的电动汽车相比能量回收效率更高。同时，整车控制器可根据当前车辆行驶状态协调各驱动电机输出，实现车载能源的最优分配，显著提高电动汽车续驶里程。

d.分布式驱动结构不仅降低了对车辆机械传动零部件的要求，也降低了电机驱动系统的母线电压，从而提高了整车的电气安全性。此外，电机分布式布置使得车辆底盘空间布置更灵活，利于提高车辆的被动安全性。

e.分布式4WID电动汽车的控制分配方式灵活，根据汽车行驶状态可实时协调各轮的驱动力，更易实现汽车的“电子主动底盘”[1]。

多电机独立驱动电动汽车已成为各国汽车厂商及科研机构关注的研究热点，国内外研究所取得的成果也证明了4WID电动汽车的优越性[2]。但迄今为止，4WID电动汽车尚未实现产业化，除受其生产成本偏高、可靠性需求高、电池技术水平问题等因素外，更重要的原因是多电机驱动系统能量优化及协调控制等方面的研究还未成熟，所采用的理论及方法在经济性、可靠性、实用性等方面存在不足。

由于多电机独立驱动电动汽车驱动结构的特殊性和复杂性，成为限制4WID电动汽车发展的瓶颈之一。若多电机协调控制不当，会出现电动轮间相互拖拽的现象，不仅增加功率损耗，而且严重时会破坏电动汽车的稳定性，导致车祸的发生。因此，多电机协调控制的优劣直接影响车辆的经济性、可靠性、安全性和舒适性[1]。目前，多电机协调控制的研究主要分为两类，一是实现各驱动轮在转向行驶时内外轮差速行驶的电子差速[3]研究；二是以车辆行驶稳定性和操控性为目标的电动汽车主动安全控制技术研究。

3 电子差速研究

传统汽车依靠行星轮的自转实现左、右车轮转向时的差速行驶，而多电机独立驱动电动汽车则必须采用电子差速系统实现各轮的转速协调，以保证转向时各车轮不发生拖动或滑移，实现差速行驶，保证电动汽车转向的稳定性。

根据驱动电机被控变量的不同，多电机驱动电动汽车的电子差速系统分为以下2类。

一类是以车轮转速为控制变量的转速型电子差速系统，是在Ackerman稳态转向模型（图2）基础上推导出各驱动轮的转速。

图2中，Vfin、Vfout、Vrin、Vrout分别为各轮转速；δfin、δfout为左、右前轮转向角，且在转向角较小时，δfin=δfout=δ；Rf、Rr为前、后轴中心处的转向半径；Rfin、Rfout、Rrin、Rrout分别为前、后、左、右各轮的转向半径。如文献[4]中根据该模型推导计算获得了各驱动轮的转速并对其实施控制，实现了车辆转向时各轮速度的协调。

Perez-Pinal F J等人[5]采用主从式多电机结构建立虚拟主电机，将两驱动轮电机作为从电机，跟据稳态转向模型计算各轮转速并进行闭环控制（图3），在车辆受到外部扰动或驱动轮负载变化时，对驱动轮的驱动力进行预判和调整，提高了电子差速系统的响应速度和鲁棒性。

针对Ackerman稳态转向模型中各轮转速的非线性，也有学者利用神经网络拟合获取当前工况下的各车轮转速[6]，以提高电动车中低速行驶时的平稳性，但其工况适应性较差，通用性不强。

文献[7]依据车辆横摆速率及纵向速度与驱动电机转速之间的关系，分别对前两轮驱动、后两轮驱动及四轮驱动的电子差速进行了比较研究，表明在低速情况下，无论采取哪种差速系统均能实现电动轮的差速行驶，且性能无明显差异；而车辆在附着极限工况下行驶时，此类以车轮转速为控制目标的电子差速系统很难满足整车对差速及稳定性的要求。

另一类电子差速系统是以控制各驱动轮的附着力或滑移率相等为目标的转矩型电子差速。文献[8]根据车辆垂直载荷的变化动态分配各驱动轮的输出力矩，控制电动汽车两侧驱动车轮的滑移率相等，从而起到电子差速的作用，以提高电动汽车转向的稳定性。存在的问题是：小滑移率的实时检测和复杂行驶工况下最优滑移率的识别均较难实现。另外，这类电子差速系统的研究与驱动防滑的研究紧密结合，随着研究的深入，此类研究将逐渐融入车辆主动安全控制技术的研究中。

4 主动安全控制技术研究

直接横摆力矩控制（DYC）系统是目前主要的一类汽车动力学稳定性控制系统。DYC利用轮胎纵向力的线性范围大于侧向力线性范围的特性，调整车辆左、右两侧驱动轮的纵向力来产生横摆力矩，直接控制车辆的横摆运动，以提高车辆的操纵稳定性。因多电机分布式4WID电动汽车具有各轮驱动力/制动力均独立可控的特点，使得DYC在4WID电动汽车主动安全控制领域内的潜力得到了充分发挥[1]。当前，以DYC为代表的主动安全控制系统一般采用分层控制结构，由整车控制、控制分配及底层控制层组成，如图4所示。

4.1 DYC的理论与方法

为提高电动车辆安全性及操控稳定性性，最优控制、模糊控制、滑模变结构等各种控制方法应用于车辆DYC系统中。

文献[9]采用二自由度控制结构，将前馈—反馈相结合，前馈补偿器将车辆的质心侧偏角控制在一个比较小的范围内，采用线性二次最优获得反馈系数，消除受控变量的稳态误差。从本质上讲，线性二次最优法属于线性控制范畴，对于车辆这种具有很强非线性特征且存在参数不确定的动力学系统来说，鲁棒性不能得到保证。

滑模变结构控制目前广泛应用于车辆稳定性控制中，它根据系统状态偏离滑模面的程度来变更控制器结构，使系统按滑移面运行，对模型不确定性、未知干扰等不确定因素具有较强的鲁棒性。日本学者Abe和Mokhiamar等人[10]以质心侧偏角和横摆角速度为控制变量，设计了滑模变结构的DYC系统，并通过实车验证了其动态品质的优良。该方法无需在线辨识且具有很好的鲁棒性，改善了控制性能，但是滑模变结构控制中的高频切换使驱动电机的转矩及受控车辆的横摆角速度出现“振颤”现象。文献[11]在滑移率控制中引入具有开关切换的二阶滑模变结构控制，在提高系统性能的同时削弱了“振颤”。

针对车辆非线性特征，模糊理论与神经网络也被用于多电机独立驱动的电动汽车的控制中，以提高电动汽车的操控性和鲁棒性。文献[12]对全轮独立驱动电动汽车设计了一个多层动力学控制系统，牵引控制层采用模糊推理实现各电机目标滑移率的调整。模糊控制虽能一定程度上改善车辆的性能，但模糊规则的建立主要依赖于经验，其应用受到车辆复杂多变的行驶工况的极大限制。神经网络用于四轮转向车辆控制中，能够克服车辆非线性带来的不利影响，提高车辆的稳定性[13,14]。文献[14]针对后两轮独立驱动电动汽车的横向及横摆运动的耦合进行可逆性分析，在构造车辆质心侧偏角的神经网络左逆观测器的基础上，设计神经网络联合逆控制器，实现横摆角速度与质心侧偏角解耦的同时减小电机输出，提高了整车效率。其不足之处在于神经网络训练样本的采集与获取受到限制，导致对车辆复杂工况的适应性差，且实时性略显不足。

4.2 集成控制研究

车辆行驶状态主要取决于轮胎与地面的接触六分力，轮胎力学特性的摩擦椭圆规律导致轮胎侧向力与纵向力相互影响，且轮胎的侧向力和纵向力都与轮胎的垂直载荷紧密关联。显然，由驱动、制动、转向和悬架等子系统组成的汽车底盘在车辆的纵向、侧向和垂向动力学间存在复杂的耦合关系，如图5所示。因此，电动汽车已是一个高度复杂、强耦合、时变的非线性动力学系统，且其所处环境多变、工况复杂。然而，随着电动汽车各类主动安全系统的不断推出，底盘电控结构与功能日趋复杂，各底盘控制子系统间相互耦合的趋势更加明显，各系统之间不可避免地存在相互影响和功能冲突，导致整车行驶性能反而变差。如何有效管理、协调各系统的工作，使其能够根据车辆当前行驶状态与驾驶员操控要求，合理协调各子系统工作时序和效能，尽量消除子系统之间的冲突，获得更好的主动安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性，成为当前电动汽车底盘控制的重要研究内容之一[15]。

4WID电动汽车的独立驱动结构亦为底盘集成控制的研究开拓了新的空间。研究表明，在轮胎侧向力进入饱和区域之前，直接对侧向力控制的主动转向系统依然是提高车辆侧向稳定性最直接有效的手段。而在轮胎侧向力进入饱和区后，DYC并没有直接对轮胎的侧向力进行控制，而是利用轮胎纵向力直接控制车辆的横摆运动。因此，如何利用轮胎的侧向力和纵向力弥补主动转向系统与DYC的相互不足，并发挥各自优点的集成控制成为当前主动安全控制研究的主要内容[16]。Yi Kyongsu[17]对车辆轮胎的横向、纵向及联合工况输出力进行观测，采用统一底盘控制策略协调控制各电机转矩输出，提高了车辆横向稳定性和操控性；山东大学李贻斌[18]利用四轮独立驱动平台实现了AFS+ASR+DYC的模糊控制，提高了车辆的操控性和安全性。

显然，此类研究对充分利用多电机独立驱动的优势，进一步提高4WID电动汽车的安全性和操控性有着特别重要的理论意义与研究价值。

4.3 多电机转矩协调控制研究

4WID电动汽车各轮独立可控，虽然增加了控制的自由度，但也对电机协调控制提出了新的挑战，多电机的转矩协调控制技术已成为亟待解决的关键技术之一，也是制约4WID电动汽车发展的关键问题之一。转矩协调控制实际上就是控制分配问题，本质上属于有约束的优化问题，最先在飞行控制系统中提出，目前已推广至许多工程实际中。其基本思想是将上层控制指令依据某种优化目标分配给冗余的执行机构，并满足执行机构的约束条件。控制分配的求解方法主要分为广义逆方法、链式递增方法、直接分配方法和数学规划方法，包括线性规划和二次规划，实际应用中主要关注控制分配中优化求解的实时性[19]。

控制分配以经典数学最优化算法与现有实际应用的优化分配算法相结合的方式展开，同时考虑各种实际约束条件和二次目标，如系统冗余特性、执行机构物理约束、轮胎利用率约束、轮胎力最小目标等，以实现总控制目标量的最优分配。根据优化目标的不同，4WID电动汽车动力学控制领域内的控制分配方法主要分为以下两类。

一类是以安全性为目标优化指标，沿袭传统车辆稳定性控制思路，通过控制电机转矩，在充分利用轮胎附着力、降低轮胎利用率、提高车辆稳定性的同时，提高驱动效率。如Masao Nagai[16]针对双后轮驱动的“Novel”电动汽车，通过一侧增加驱动/制动扭矩，另一侧相应地减小驱动/制动扭矩来实现DYC控制。但这种方法没有考虑车轮当前的工作状况与电机的输出约束，导致车轮纵向力出现高频抖振，对车辆的稳定性和平顺性产生不利影响。同济大学余卓平等人[20]采用层次化的控制分配方法，考虑执行器的约束条件，以加权二乘法优化驱动/制动的扭矩分配，降低总的轮胎利用率，提高轮胎的安全裕度，从而提高车辆的操纵稳定性。清华大学李克强等人[21]则综合直接横摆力矩、地面附着及电机输出受限等要求，得出全轮纵向力优化分配的约束条件，基于模糊理论设计了以车辆质心侧偏角为变量的权重函数，对纵向力分配实时动态调整，进一步提升了车辆的稳定性和机动性。

另一类是从提高整车运行经济性的角度出发，根据电机在不同转矩、转速区域内效率的不同，合理分配电机控制力矩，提高驱动电机的效率，从而提高整车驱动效率。研究表明，基于电机效率模型的控制分配更能准确地反映能量流动情况[22]。因此，众多学者从电机效率MAP图出发，研究电动汽车运行的能量优化与控制分配方法，提高电机驱动效率[23,24]。Yan Chen和JunminWang等人[23]考虑电机的效率特性，根据车辆不同行驶工况下4个轮毂电机的驱动效率，综合分配四轮驱动力矩，达到了整车能量消耗最小的控制目标。此外，Yan Chen和Junmin Wang等人[24]也提出了基于卡罗需-库恩-塔克条件（KKT）的过执行系统的能量最小消耗全局优化控制分配算法，提高了4WID电动汽车整车驱动系统效率。此类研究均假设车辆处于稳定状态，由于欠缺对车辆安全约束的考虑，实际运行时有可能造成车轮打滑或抱死，从而影响整车行驶的稳定性。

文献[25]则根据当前车辆的运行工况，设计了一种经济性最优的目标函数，其综合考虑安全性及经济性目标，当车辆处于稳定状态时采用经济性驱动力分配方式，而当车辆处于不稳定状态时则采用基于安全性的目标函数实现驱动力的优化分配，增强了车辆的侧向稳定性。

5 电动汽车驱动系统容错控制研究

4WID电动汽车复杂的行驶工况及大量采用驱动系统线控技术，致使电机驱动系统故障率较高，安全隐患增加。4WID电动汽车一旦出现驱动电机故障，则驱动电机不能输出期望转矩或无转矩输出，将导致整车出现非期望的横摆角速度，致使车辆出现“跑偏”现象，严重时会导致车辆事故的发生。当前，针对驱动电机失效的容错控制研究尚处于起步阶段。4WID电动汽车驱动系统本质上属于冗余过驱动系统，具备一定的带故障运行能力。如，文献[26]采用了冗余结构的前/后轮独立驱动系统，在电机出现故障后，将故障电机所在前轮/后轮均变为自由轮，仅由正常的后轮/前轮驱动整车运行，但并没有充分利用4WID电动汽车四轮独立驱动的特点。

已有学者开始尝试将容错控制理论运用于车辆主动安全控制，如文献[27]在驱动力分配层中设计了失效控制策略，设置失效因子来处理故障电机，通过简单协调控制规则实现控制的再分配，可实现车辆的带故障运行。考虑到4WID电动汽车中电机故障、输入受限、外部扰动等情况，文献[28]设计了Lypunov自适应容错控制律，文献[29]基于Lypunov函数结合线性二次最优方法设计了最优容错控制律，均可保证车辆在驱动电机故障下的路径跟踪能力。此类研究基本属于被动容错控制范畴，无需故障诊断就能够保证车辆在驱动电机失效时的安全性。美国Junmin Wang[30]的课题组研究较深入，不仅针对4WID电动汽车被动容错控制器进行了研究，而且开展了基于电机故障诊断的主动容错控制技术研究[31,32]，取得了较好的控制效果。

总体而言，4WID电动汽车驱动系统容错控制研究尚未将其它领域内相对成熟的容错控制理论应用于车辆主动安全控制领域，其故障诊断与控制算法的实时性依然是主要难题。

6 结论及展望

对电动汽车多轮独立驱动技术进行研究，不仅能提高电动汽车的安全性、操控性、稳定性，而且能进一步提高电动汽车的经济性和舒适性。虽然目前这方面应用及理论研究取得了一定的成果，但总体来说仍处于起步阶段和探索阶段，远未达到实际运用的要求，以下几方面是今后电动汽车驱动系统及车辆动力学控制领域研究和实践的重点。

a.电机及驱动系统的可靠性研究。电动汽车驱动电机具有小型轻量化、高效率、高功率密度等特点，且电机工况复杂、工作环境恶劣，对电机的可靠性要求极高。作为电动汽车核心技术之一的电机驱动系统，实现广域的高可靠性、高效率、高功率密度，且具有低成本、低噪声、较好的能量回馈等特点依然是研究重点之一。

b.电动汽车的非线性动力学分析与控制。由于车辆本身动力学的非线性、不确定性，控制变量的多样化，控制的鲁棒性、实时性、高动态响应性的要求等，使整车动力学控制实施极其困难。先进的控制策略及控制方法是电动车辆能否具有良好的操纵稳定性及安全性的关键因素。因此，采用先进的控制理论和方法设计出性能优越、鲁棒性高、实时性强的控制算法是电动汽车动力学控制研究的重要方向之一[32]。需要指出的是，多电机独立驱动系统中，每个驱动轮均可驱动或回馈制动运行，因此如何在稳定性控制的同时兼顾运行效率，实施系统能量管理，提高整车效率，从系统控制科学的角度看，亦是一个颇具挑战性而又具有深远意义的研究领域。

c.智能底盘主动安全控制研究。目前，针对4WID电动汽车的主动安全控制研究虽取得了一定进展，但是仍未能从整体性、相关性方面对底盘各控制子系统之间的相互制约和相互影响的机理进行深入分析，4WID电动汽车在底盘控制方面的潜力和优势远未发挥，已成为制约4WID电动汽车开发和产业化的瓶颈之一。多电机独立驱动电动汽车结构比一般电动汽车复杂，故障率相对较高，一定程度上降低了电动汽车的可靠性。此外，4WID电动汽车多采用线控方式，线控系统发生故障时没有任何预警信息，给车辆的行车安全又带来了一定的安全隐患。因此，研究线控系统的故障检测，并利用多电机独立驱动系统的执行器冗余的特点，协调故障电机与正常电机的转矩分配，实现整车的高可靠性主动安全控制，成为未来智能底盘控制技术重要的研究方向之一。

d.未来环保、智能电动汽车的研究。随着信息技术以及控制科学的发展，研究新一代智能化汽车成为现代汽车研究的主要趋势之一。未来智能电动汽车不仅要实现安全、舒适、节能与环保等四大功能，更应是集清洁能源动力、电控化底盘与智能信息交互三大系统为特征的一体化的智能交通系统[33]。材料科学、信息科学等多学科的理论研究以及集成制造技术、计算机技术的发展将进一步推动电动汽车底盘控制技术向电动化、模块化、智能化和集成化方向发展。

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（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为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

电动汽车 多电机独立驱动 协调控制 可靠性

U469.72

A

1000-3703（2015）10-0001-06

国家自然科学基金(51077066，61273154)、教育部博士点基金（20123227110012），江苏高校优势学科建设工程（苏政办发2011-6）、江苏大学研究生创新工程（CX10B_014X）资助。